摘要：矩陣式變換器是一種具有優(yōu)良的輸入輸出特性的新型交—交變換器，從等效的交—直—交變換的空間矢量調(diào)制出發(fā)，提出了一種基于DSP－TMS320LF2407A的控制方案，同時用DSP＋PLD的方案完成了安全換流，簡化了控制系統(tǒng)，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。

　　關(guān)鍵詞：交—交變換；矩陣變換器；換流 　 　

1    引言

    　矩陣式變換器是一種具有優(yōu)良的輸入輸出特性的新型交—交變換器。它允許頻率單級變換，無需大容量的貯能元件如大電容，可使輸入電流正弦，輸入功率因數(shù)達(dá)到0.99以上，并可自由調(diào)節(jié)，且與負(fù)載的功率因數(shù)無關(guān)，輸出電壓正弦，輸出頻率及電壓可調(diào)，輸出頻率可高于、低于輸入頻率，特別是其功率可雙向流動，具有四象限運行能力。本文在矩陣變換器的空間矢量控制基礎(chǔ)上，給出了一種基與DSP＋PLD的方案，實驗證明此方案可以提高高頻大電流下?lián)Q流的可靠性，簡化了控制系統(tǒng)。

2    矩陣式變換器的空間矢量調(diào)制

    　一個用于實現(xiàn)交—交變換的矩陣式變換器如圖1所示。它可以用一個虛擬的整流器和一個虛擬的逆變器構(gòu)成的等效交—直—交結(jié)構(gòu)來代替，如圖2所示。采用這樣的等效結(jié)構(gòu)可以充分利用已有成熟的交—直—交變換中的PWM控制技術(shù)，并 可 通 過 開 關(guān) 函 數(shù) 分 析 出 實 際 矩 陣 式 變 換 器 的 開 關(guān) 控 制 規(guī) 律 。

    分 析 圖1和 圖 2時 ， 首 先 要 定 義 開 關(guān) 函 數(shù) 。

圖1    矩陣變換器結(jié)構(gòu)

圖2    等效交—直—交結(jié)構(gòu)

    　對于圖2的等效交—直—交結(jié)構(gòu)，j∈{a,b,c,A,B,C,}，k∈{P,N}。按照輸入電壓不能被短路，輸出電路不能突然開路的原則，虛擬整流器同一直流母線P或N上的開關(guān)必須有一個且只能有一個處于導(dǎo)通狀態(tài)，即

    S_ak＋S_bk＋S_ck=1,k∈{P,N}    （1）

    　而虛擬逆變器同一輸出相A，B或C上必須有一個而且只能有一個開關(guān)導(dǎo)通，即

    S_jP＋S_jN=1，j∈{A,B,C,}    （2）

    　對于圖1的矩陣式變換器實際結(jié)構(gòu)，j∈{A,B,C,}，k∈{a,b,c}。按照輸入電壓不能被短路，輸出電路不能突然開路的原則，每一輸出相只能連至且必須連至一個輸入相，開關(guān)函數(shù)須滿足

    S_ja＋S_jb＋S_jc=1,j∈{A,B,C,}    （3）

    　能滿足式（3）的開關(guān)組合共有27種，但有6種在等效交—直—交結(jié)構(gòu)中找不到對應(yīng)的開關(guān)組合，所以共有21種有效的開關(guān)組合和矢量，見表1。

表1    矩陣式變換器有效開關(guān)組合表及與等效交—直—交變換器對應(yīng)關(guān)系

經(jīng)過推導(dǎo)可得到等效交—直—交結(jié)構(gòu)和矩陣變換器的開關(guān)函數(shù)關(guān)系為

    S_jk=S_jPS_kP＋S_jNS_kN， j∈{A,B,C,}，k∈{a,b,c}    （4）

限定條件為

    1≤S_Gm＋S_Jn＋S_KI≤2    （5）

式中：G，J，K∈{A,B,C,}，m，n，1∈{a,b,c}，且G≠J≠K，m≠n≠1。

    　根據(jù)式（4）可以得到矩陣變換器21種有效開關(guān)組合形成的矢量與等效交—直—交結(jié)構(gòu)6個輸入相電流矢量和6個輸出線電壓矢量的對應(yīng)關(guān)系，見圖3和表1，從而由等效交—直—交結(jié)構(gòu)的雙空間矢量調(diào)制策略得到矩陣變換器的交—交直接變換空間矢量調(diào)制策略。

圖3    輸入相電流和輸出線電壓的矢量圖

    　在等效交—直—交結(jié)構(gòu)中，逆變器部分的理想輸出線電壓基準(zhǔn)矢量圓和整流器部分的理想輸入相電流基準(zhǔn)矢量圓都被劃分為6個扇區(qū)，從而有36種可能的扇區(qū)組合，以虛擬整流器、逆變器均工作在第I扇區(qū)為例，可以用于矢量合成的空間電流，電壓矢量分別是I₆，I₁和U₆，U₁，兩個空間矢量的綜合調(diào)制采用相互嵌套的辦法來實現(xiàn)。整個輸入相電流和輸出線電壓矢量合成過程共有I₆－U₆，I₆－U₁，I₁－U₆，I₁－U₁及零矢量I₀－U₀5種組合。每一矢量組合的作用時間用占空比表示時是該組合內(nèi)各矢量占空比的乘積。即

    I₆－U₆：

    Dxα=Dx·Dα=msin(60°－θ_i)sin(60°－θ_v)    （6）

    I₆—U₁：

    Dxβ=Dx·Dβ=msin(60°－θ_i)sinθ_v    （7）

    I₁－U₆：

    Dyα=Dy·Dα=msinθ_isin(60°－θ_v)    （8）

    I₁－U₁：

    Dyβ=Dy·Dβ=msinθ_isinθ_v    （9）

    I₀－U₀：

    D₀=1－Dxα－Dxβ－Dyα－Dyβ    （10）

式中：θ_i是輸入相電流的相角；

            θ_v是輸出線電壓的相角。

   　 以上計算出占空比后，再通過開關(guān)函數(shù)找到相對應(yīng)的真實的矩陣變換器的矢量和開關(guān)組合。開關(guān)組合的選擇步驟、原則如下：假設(shè)輸出線電壓矢量和輸入相電流都位于第1扇區(qū)，則根據(jù)圖3得到合成和的固定矢量U₁，U₆，I₁，I₆，并得到對應(yīng)的矩陣變換器的8個矢量1P，3P，4P，6P，1N，3N，4N，6N，再按照獲得電壓傳輸比和單位功率因數(shù)的原則從上述8個矢量中選出4個矢量。要獲得單位功率因數(shù)，則要使輸入相電壓和輸入相電流相角差為0，注意到輸入線電壓矢量超前輸入相電流30°，則輸入線電壓矢量可能位于第1扇區(qū)或第2扇區(qū)，所以，輸入線電壓的值為U_ab和－U_ca，則在上述8個矢量中需要選擇4個矢量使輸出線電壓U_OAB等于U_ab或－U_ca，選出的4個矢量為1P，3N，4N，6P，4個矢量按照開關(guān)次數(shù)少的原則確定開關(guān)順序為1P，3N，4N，6P，加上零矢量，5個矢量的占空比由式（6），（7），（8），（9），（10）確定。輸出線電壓矢量和輸入相電流共有36種扇區(qū)組合，則對應(yīng)矩陣變換的36種矢量調(diào)制開關(guān)組合。

3    安全換流策略

    　本系統(tǒng)采用共集電極的反向串聯(lián)IGBT組合開關(guān)組成雙向功率開關(guān)，根據(jù)輸入電壓不能被短路，輸出電路不能突然開路的條件，安全切換要求同一相輸出的任意兩組開關(guān)不能同時導(dǎo)通，三組開關(guān)不能同時斷開。由于器件的開通時間，關(guān)斷時間，及驅(qū)動電路的時延都有差異，不能做到嚴(yán)格的同時切換。為了解決這個問題，N．Burany提出了的四象限開關(guān)多步切換控制法，其換流過程可用圖4及圖5所示一相輸出電路來說明。以由a輸入相換流到b輸入相為例，當(dāng)負(fù)載電流i_L>0時，第1步關(guān)斷負(fù)導(dǎo)通部分S_lN，第2步開通S_2P，第3步關(guān)斷S_1P，第4步開通S_2N，以此完成兩個雙向開關(guān)的成功換流，既禁止了可能使電源發(fā)生短路的開關(guān)組合，又保證了在任意時刻給負(fù)載提供至少一條流通路徑。

圖4    一相輸出電路示意圖

圖5    4步換流策略驅(qū)動信號示意圖

4    控制系統(tǒng)設(shè)計及實驗結(jié)果

    　圖6是以DSP為控制的矩陣變換器系統(tǒng)框圖，DSP檢測輸入相電壓的扇區(qū)，得到期望的輸出線電壓扇區(qū)后，通過空間矢量調(diào)制策略，DSP送出6路驅(qū)動信號及保護(hù)信號到PLD，四步換流，驅(qū)動等邏輯由模塊內(nèi)部邏輯器件PLD完成，PLD送出18路驅(qū)動信號到主電路的18個分立開關(guān)。

圖6    矩陣變換器實驗系統(tǒng)框圖

    波形如圖7，8，9，采樣頻率為10kHz，調(diào)制比M=0.866，輸入濾波器參數(shù)：L=30mH，C=15μF。

圖7    輸入相電壓u_a波形與輸入相電流i_a波形

圖8    輸出線電壓u_L與輸出線電流i_L波形

(a)    輸入相電流

(b)    輸出線電壓

圖9    FET分析

5    結(jié)語

    　以DSP＋PLD構(gòu)成的矩陣變換器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)接線少，控制電路與軟件簡單，很好地解決了矩陣變換器的關(guān)鍵問題——安全換流，大大提高了高頻大電流下順序換流的可靠性，系統(tǒng)可靠性得到提高，為矩陣變換器向大功率，數(shù)字化發(fā)展和工業(yè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn):

[1]. TMS320LF2407A datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/TMS320LF2407A_309789.html.
[2]. Sja datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/Sja_2441023.html.
[3]. Sjb datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/Sjb_2441024.html.
[4]. 4N  datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/4N+_2235902.html.