一种新型矩阵式高频链逆变器控制方法

摘要：基于拓扑解耦思想提出了一种针对矩阵式高频链逆变器的新型控制策略。根据高频逆变桥生成的高频环的极性，将矩阵变换器的拓扑解耦成两个常规的三相电压源型逆变器，从而就可将常规电压源逆变器的控制方法引入到对矩阵变换器控制当中，简化了对矩阵变换器的分析。进行了实验研究，结果表明该控制方法具有较好的控制效果。
关键词：高频链；矩阵变换器；双向桥臂；解结耦；准载频

0 引言
    DC／AC逆变技术在新能源开发、交流电机的传动、不间断电源(UPS)、有源滤波器等许多场合得到了广泛的应用。传统的逆变器虽然技术成熟可靠，但存在体积大、笨重、音频噪音大、系统动态性能差等缺点。变压器作为逆变器中的核心元件，在实现电源侧和负载侧电气隔离的同时，也起到传输功率的作用。然而由于传输功率的是基波，使得逆变器中采用的传统工频变压器体积、重量在装置所占分量较大，成为提高装置功率密度的主要障碍。高频链逆变技术利用高频变压器代替传统的工频变压器，克服了以上缺点，减小了变压器的体积和重量。
    本文将矩阵变换器中的直流变换到三相交流的拓扑和高频链技术相结合，提出了一种新型控制策略。该控制策略利用工作于PWM调制模式的高频逆变桥生成的高频环电压方波经高频变压器升压后作为后级矩阵变换器的输入。对于后级矩阵变换器，利用“拓扑解耦”思想将其解耦成两个常规的电压源逆变器，从而可将常规电压源逆变器的控制方法引入其中，分别对单个电压源逆变器进行控制，最后通过后级矩阵变换器功率器件适当的开关组合，将高频环方波整形成单极性的高频脉冲，经过滤波器后输出与调制波同频率的低频正弦波。将PWM控制策略和高频变压器构成高频链并与矩阵变换器拓扑相结合也是本文的创新点所在。对所提控制策略进行了实验研究，实验结果验证了该控制策略的可行性。

1 电路拓扑及控制策略
    直流变换到三相交流矩阵式高频链逆变器的主电路拓扑如图1所示。主电路的前级由单相全桥电路和高频变压器组成高频逆变桥，后级由矩阵变换器和输出滤波电路组成。高频逆变桥生成的高频环方波由矩阵变换器对其进行解调，由滤波电路滤除高次谐波，从而在输出滤波电路两端解调到与调制波同频的交流脉冲电压，控制结构框图如图2所示。

    对于主电路后级，属于单相交流(输入信号是高频交流环方波)到三相交流的矩阵变换器结构，仔细研究发现，通过将后级矩阵变换器进行解耦，即将其分解成两个常规三相电压源逆变器，从而就可以将常规电压源逆变器的控制方法引入其中，大大简化了对后级矩阵变换器的分析。由于前级高频逆变桥输出的是高频交流环方波列，利用解耦控制思想，当高频逆变桥输出正极性脉冲时，让三个双向桥臂上的正极性开关管导通，当输出为负极性脉冲时(所谓“正、负极性”是根据保证桥臂上二极管能导通的方向来确定)，让双向桥臂上的负极性开关管导通，这样就实现了对后级矩阵变换器的解耦控制，如图3所示，只不过此时对于两个电压源逆变器的输入信号不再是恒定的直流电压源，而是周期性离散的电压脉冲列。以A相为例，矩阵变换器双向桥臂上四路开关驱动信号的实现过程如下：利用正弦调制波和三角载波进行比较后获得两路互补的SPWM信号，然后再将此两路信号与相位互差180°、占空比为0．5的方波V2、V1进行逻辑组合，方波V3、V4与前级高频逆变桥开关管的驱动脉冲同步。

    这样就可以得到A相双向桥臂上四路开关的驱动信号，波形示意如图4所示。由以上分析知，矩阵变换器A相双向桥臂四路开关的驱动信号的逻辑关系为：
   
    以上利用V3，V4与SPWM1，SPWM2波形进行信号逻辑处理的过程，体现了对SPWM信号的分解和矩阵变换器拓扑结构的分离，即体现了解耦的控制思想。图4中给出了A相双向桥臂上四个开关管驱动信号的实现方法，同理可得出B、C相开关管的驱动信号。在分析后级拓扑的时候，利用解耦思想实现了后级拓扑的分解，但电路的工作过程是在同一个拓扑上实现的，并且两个过程是同步进行的，因此，将解耦后的控制信号经过逻辑组合后又应用于后级同一拓扑上，实现了对矩阵变换器的控制。

2 实验
    对所提的控制方法进行了实验研究，实验参数见表1。

    图5(a)是高频逆变桥MOS管栅极驱动信号ugs和漏源电压uds波形。图5(b)是由DSP产生的载波频率为10 kHz、调制比为0．8的三相SPWM1、SPWM3和SPWM5信号及对SPWM5二分频后的信号。图5(c)是解耦环节逻辑信号经功率型光耦TLP250芯片驱动后的开关管驱动信号，依次是Guhh，Guhl，Gull和Gulh，实验结果和图4中的开关时序信号相同。图5(d)是逆变器输出的频率是50 Hz的相电压波形。

3 结论
    本文基于拓扑解耦思想，将单相到三相的矩阵变换器解耦成两个常规的电压源型逆变器，高频逆变桥采用PWM调制，矩阵变换器采用SPWM调制实现了对矩阵式高频链逆变器的控制，大大简化了矩阵变换器的控制过程。搭建了实验样机，通过实验验证了所提控制思想的正确性，为进一步研究矩阵变换器的控制策略具有一定的借鉴意义。