一种双级式矩阵变换器的新拓扑及其共模电压抑制策略

摘要

本发明公开了一种双级式矩阵变换器的新拓扑及其共模电压抑制策略，其拓扑结构是在传统双级式矩阵变换器的直流侧上、下母线上各串联一个单向开关管，本发明将直流侧开关管关断时逆变级有效矢量作为逆变级等效零矢量，利用等效零矢量参与调制，将逆变级七段式空间矢量调制优化为三段式空间矢量调制，实现了共模电压的抑制。本发明的有益之处是能够在电压传输比0～0.866整个区域内将负载侧共模电压降至输入相电压峰值的0.577倍，与现有技术抑制效果相当；换流控制策略简单，能够对整流级直接实施换流，提高了系统可靠性；优化的调制策略简单易于实现，相较于传统调制策略，系统总实际开关次数基本不变，输入输出电流质量保持不变，电能质量良好。

权利要求

1.一种双级式矩阵变换器的新拓扑，其特征在于，由整流级、直流侧和逆变级三部分构成，整流级是六个双向开关单元组合而成的三相桥式电路，每个双向开关均由共射级的两个单向开关管串联而成，直流上、下母线上各串联一个单向开关管，上母线的开关管的集电极接整流级，发射极接逆变级，下母线的开关管的发射极接整流级，集电极接逆变级，逆变级是由六个单向开关管组合而成的三相桥式电路。

2.如权利要求1所述一种双级式矩阵变换器的新拓扑的共模电压抑制策略，其特征在于，保持整流级传统电流空间矢量调制不变，然后控制直流侧开关管的导通与关断，将逆变级七段式空间矢量调制优化为三段式空间矢量调制，具体如下：(1)直流侧开关管关断时逆变级有效矢量等效于直流侧开关导通时的逆变级零矢量，称其为逆变级等效零矢量；

(2)在逆变级七段式空间矢量调制中，以(1)中等效零矢量替换零矢量，构成等效零矢量中的有效矢量选择原则为开关次数最小化，逆变级空间矢量调制被简化为三段式；有效矢量合成期望电压矢量时，直流侧开关管导通。

说明书

一种双级式矩阵变换器的新拓扑及其共模电压抑制策略

技术领域

[0001] 本发明涉及电力电子变换器的拓扑及共模电压的抑制技术，具体涉及一种双级式矩阵变换器的新拓扑及其共模电压抑制策略。

背景技术

[0002] 作为一种新型交-交变换器，双级式矩阵变换器不仅具有传统矩阵变换器的输入输出电流正弦、能量可双向流动、无需直流储能元件、功率密度高、结构紧凑等优点，还具有整流级零电流换流，钳位电路控制简单等优点，因此在过去20多年间，引起了国内外众多学者的关注，非常具有发展潜力。

[0003] 在电机驱动应用中，双级式矩阵变换器负载侧会产生共模电压，进而形成了轴电流，导致电机轴承损坏，降低电机的使用寿命，同时共模电压会在系统中产生共模电流，对装置的正常运行造成电磁干扰。

[0004] 已有文献对双级式矩阵变换器的共模电压抑制展开相关研究，一类方法是避免逆变级直接使用零矢量参与期望电压矢量的合成来实现共模电压的抑制，如整流级有零矢量逆变级无零矢量的调制策略、逆变级使用两个方向相反的有效矢量代替零矢量等，但该类方法直接导致了整流级必须采用四步换流策略，控制较复杂，同时存在开关次数增加的弊端，增加了系统损耗，且输入输出电流谐波畸变率有所上升；另一类方法是改变整流级扇区分布位置，利用两个较小的线电压合成中间直流电压以实现共模电压抑制，但存在最大电压传输比受限的问题，同时由于逆变级存在零矢量，若逆变级采用七段式开关序列，则整流级可以实现零电流换流，但实际开关次数大大增加，若不采用七段式开关序列，则整流级必须采用四步换流策略。综上所述，已有抑制共模电压的调制策略存在整流级换流复杂、开关次数增加或电压传输比受限等弊端。

发明内容

[0005] 本发明的目的是，在电压传输比0～0.866整个区域内实现双级式矩阵变换器共模电压抑制，达到现有技术抑制效果，同时整流级能够直接实施换流，输入输出电能质量得到改善。

[0006] 本发明所采用的技术方案为：

[0007] 一种双级式矩阵变换器的新拓扑及其共模电压抑制策略，首先改进传统双级式矩阵变换器拓扑，然后基于新拓扑采用优化的双空间矢量调制策略来抑制共模电压。

[0008] 双级式矩阵变换器的新拓扑由整流级、直流侧和逆变级三部分构成，整流级是六个双向开关单元组合而成的三相桥式电路，每个双向开关均由共射级的两个单向开关管串联而成，直流上、下母线上各串联一个单向开关管，上母线的开关管发射极接逆变级，下母线的开关管发射极接整流级，逆变级是由六个单向开关管组合而成的三相桥式电路。

[0009] 传统双空间矢量调制策略的优化为保持整流级传统电流空间矢量调制不变，然后控制直流侧开关管的导通与关断，将逆变级七段式空间矢量调制优化为三段式空间矢量调制，具体如下：

[0010] (1)直流侧开关管关断时逆变级有效矢量等效与直流侧开关导通时的逆变级零矢量，即成为逆变级等效零矢量；

[0011] (2)在逆变级七段式空间矢量调制中，以(1)中等效零矢量开关状态替换零矢量状态，构成等效零矢量中的有效矢量选择原则为开关次数最小化，如V0 V1 V2 V7 V7 V2 V1 V0替换为V1 V1 V2 V2 V2 V2 V1 V1，逆变级空间矢量调制简化为三段式；有效矢量合成期望电压矢量时，直流侧开关管导通。

[0012] 本发明与现有技术相比所产生的效果为：

[0013] (1)在电压传输比0～0.866整个区域内将负载侧共模电压降至输入相电压峰值的0.577倍，与现有技术抑制效果相当；

[0014] (2)换流控制策略简单，能够对整流级直接实施换流，提高了系统可靠性；

[0015] (3)优化的调制策略简单易于实现，系统总实际开关次数相较于传统调制策略基本不变，逆变级实际开关次数大幅减少，改变了系统开关损耗分布，输入输出电流质量保持不变，电能质量良好。

附图说明

[0016] 图1：双级式矩阵变换器的新拓扑；

[0017] 图2：双级式矩阵变换器共模电压产生示意图；

[0018] 图3：(a)整流级空间矢量扇区分布；(b)逆变级空间矢量扇区分布；

[0019] 图4：整流级I1、直流侧开关管关断和逆变级V1作用时系统等效电路图；

[0020] 图5：整流级、直流侧和逆变级开关管的协调控制图；

[0021] 图6：(a)整流级期望输入电流矢量合成；(b)逆变级期望输出电压矢量合成；

具体实施方式

[0022] 下面结合附图对本发明做进一步说明；

[0023] 本发明所述的一种双级式矩阵变换器的新拓扑，如图1所示，主电路拓扑由整流级、直流侧和逆变级三部分构成。其中，整流级三相输入用a、b、c表示，整流级是六个双向开关单元组合而成的三相桥式电路，每个双向开关均由共射级的两个单向开关管串联而成，六个双向开关单元用Sij(i＝a，b，c；j＝P，N)表示，意指连接输入i相与直流母线j端。直流上、下母线上各串联一个单向开关管，上母线的开关管发射极接逆变级，下母线的开关管发射极接整流级，分别用SPP＇、SNN＇表示，意指连接直流上母线前端P和后端P＇、直流下母线前端N和后端N＇。逆变级的三相输出用A、B、C表示，逆变级由六个单向开关管组合而成的三相桥式电路，六个单向开关管用Sok(o＝A、B、C；k＝P＇，N＇)表示，意指连接输出o端与直流母线k端。

[0024] 当双级式矩阵变换器驱动三相交流电机时，如图2所示，共模电压vng为三相负载中性点n与电源接地点g之间的电压。当三相输出电流之和为零时，共模电压满足下式：

[0025]

[0026] 式中vAg、vBg、vCg分别为三相输出相电压；

[0027] 图3是整流级和逆变级的空间矢量扇区分布，图3(a)中I1-I9代表整流级的开关状态(I6为例，a表示a相上桥臂导通，b表示b相下桥臂导通，其余开关管均不导通)，图3(b)中V0-V7代表逆变级的开关状态(0表示下桥臂导通，1表示上桥臂导通)。整流级与逆变级的不同开关状态组合，产生的共模电压也不同，若整流级开关状态为I6、逆变级开关状态为V0时，vAg＝vBg＝vCg＝vb，vng＝vb，因此传统双空间矢量调制策略下逆变级零矢量的存在，共模电压峰值等于输入相电压峰值Vim。

[0028] 本发明所述解决方案是以直流侧开关管关断、逆变级处于有效矢量等效逆变级零矢量，并利用等效零矢量参与矢量合成，此时直流侧电流为零，对于整流级而言相当于负载侧开路，整流级可以避免使用四步换流策略直接实施换流；同时由于开关管结电容的存在，开关管SPP＇、SNN＇关断期间起到了分压的作用，避免输出直接与输入相连。如当整流级有效矢量I1作用、直流侧开关管关断、逆变级有效矢量V1作用时，系统的等效电路图如图4所示，此时负载侧共模电压为：

[0029]

[0030] 其余扇区类似，可得直流侧开关管断开时逆变级有效矢量作用期间的负载侧共模电压峰值为0.433Vim，由现有文献可知，传统双级式矩阵变换器拓扑下逆变级有效矢量作用期间的负载侧共模电压峰值为0.577Vim，双级式矩阵变换器新拓扑直流侧开关管导通与此等效。

[0031] 本发明所述共模电压抑制策略，直流侧开关管关断时逆变级有效矢量等效于直流侧开关导通时的逆变级零矢量，即成为逆变级等效零矢量；在逆变级七段式空间矢量调制中，以等效零矢量开关状态替换零矢量状态，构成等效零矢量中的有效矢量选择原则为开关次数最小化，如V0 V1 V2 V7 V7 V2 V1 V0替换为V1 V1 V2 V2 V2 V2 V1 V1，逆变级空间矢量调制被简化为三段式；有效矢量合成期望电压矢量时，直流侧开关管导通；整流级、直流侧和逆变级开关管的协调控制，如图5所示，具体分为以下步骤实施：(以下举例说明，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制)

[0032] (1)根据双空间矢量调制算法获取整流级和逆变级的扇区Nc、Nv及对应的扇区角θc、θv，确定逆变级调制比mv、开关周期Ts；

[0033] (2)计算矢量作用时间，以整流级输入电流矢量位于第一扇区、逆变级输出电压矢量位于第二扇区为例，详细介绍本发明所述的共模电压抑制策略，期望输入电流矢量通过两个相邻的有效电流矢量(I6、I1)合成，有效电流矢量作用占空比分别为da、db，如图6(a)，期望输出电压矢量通过两个相邻的有效电压矢量(V1、V2)和等效零矢量合成，有效电压矢量和等效零矢量作用占空比分别为dm、dn、d0，如图6(b)，计算公式如式(3)；

[0034]

[0035] (3)载波为三角载波utri，其幅值为[0,1]，周期为Ts；利用(3)计算的矢量作用时间与三角载波进行比较，产生门极驱动信号，控制整流级、直流侧和逆变级开关管的导通与关断：

[0036] 整流级：整流级a相上桥臂开关管在整个开关周期内导通，其脉冲PWMaP恒为1；当utrida时，整流级b相下桥臂开关管关断，c相下桥臂开关管导通，脉冲PWMbN为0，PWMcN为1，其余开关管脉冲恒为；

[0037] 直流侧：当逆变级等效零矢量参与调制时，同时关断直流母线上的两个开关管SPP＇、SNN＇，当逆变级有效矢量参与调制时，同时导通SPP＇、SNN＇，即da(1-dm-dn)/2

[0038] 逆变级：采用三段式空间矢量调制，在整个开关周期内逆变级A相上桥臂均导通，C相上桥臂均关断，触发脉冲PWMAP＇为1，PWMCP＇为0；当da(1+dm-dn)/2