高频链矩阵逆变器的解结耦B-V-SVM策略

高频链矩阵逆变器的解结耦B-V-SVM策略

蒋传荣1张蕾2刘林海1

（1.海华电子企业（中国）有限公司，2.空军驻广州军事代表室广州510656）

摘要:与采用工频变压器隔离的逆变器相比，高频链矩阵逆变器作为一种新型功率变换器，除了可以实现输入输出级的电气匹配和隔离外，还具有功率密度大，传输损耗低，可靠性高等突出优点。本文在解结耦方法的基础上，提出了高频链矩阵逆变器的双极性电压空间矢量调制策略，降低了高频链矩阵逆变器的分析难度，控制过程易于实现，可实现谐波分量小的高质量正弦输出电压。仿真结果验证了控制策略的正确性和有效性。

关键词:高频链；矩阵变换器；高频链矩阵逆变器；双极性电压空间矢量调制；解结耦；电压传输比

BipolarVoltageSpaceVectorPulse-widthModulationStrategyforHighFrequencyLinkMatrixInverterbasedonDe-Re-coupleAnalysisIdea

Chuanrongjiang1，Leizhang2，Linhailiu1

(HaihuaElectronicsEnterprise(China)Corporation，2.Militaryrepresentativeofficeof

theairforceinGuangzhou，Guangzhou510656，China)

Abstract:Comparedwiththeuseof50Hztransformerintraditionalinverter,inadditiontotheelectricalisolationbetweeninputandoutputcanberealizedandalsotheelectricalmatchingcanbereached,highfrequencylinkmatrixinverter(HFLMI)asanewpowerconvertertopologystructurewhichalsohashigherpowerdensity,lowertransmissionlossandhigherreliability.Anewmodulationstrategyasbipolarspacevectorpulse-widthmodulationtohighfrequencylinkmatrixinverterbasedonde-re-coupleanalysisideaisproposedinthispaper,whichgreatlysimplifiestheanalysisandcontroldifficultyofhighfrequencylinkmatrixinverter.Usingtheproposedmodulationstrategy,high-qualitysineoutputvoltagewhichhassmallharmoniccanbeimplemented.Simulationresultsverifythecorrectnessoftheproposedcontrolstrategy.

Keywords:Highfrequencylink;Matrixconverter;HighfrequencylinkMatrixInverter;Bipolarvoltagespacevectorpulse-widthmodulation(B-V-SVM);De-Re-couple;Voltagetransferratio

0引言

逆变器的供电电源与负载之间需要解决安全与匹配问题，变压器隔离方法得到广泛应用。而高频链逆变器与采用工频变压器隔离的逆变器相比，具有体积小、重量轻、功率密度大、使用安全和可靠性高等特点，应用范围日益广泛[1-2]。高频链转换器的概念于1977年由德国学者Mr.Espelage首次提出，高频链逆变技术就是工频变压器由高频变压器替代，实现一二次侧之间的电气隔离和能量传输[3]。

针对于三相高频链矩阵逆变器（highfrequencylinkmatrixinverter,HFLMI）各国学者提出了多种控制策略[4-7]。其中比较主流的控制策略有：基于移相控制的脉冲密度调制[8]，其基本思想是，通过前级逆变器的移相控制产生具有周期性零电压的双极性高频脉冲电压，后级矩阵变换器对此双极性脉冲电压采用脉冲密度调制方式进行解调，最后得到三相对称交流电压；基于拓扑解耦的解结耦控制[9-11]，其前级逆变器采用常规的脉冲调制，产生具有死区的双极性高频脉冲电压，后级矩阵变换器根据此双极性脉冲电压的极性分解成两个常规的三相电压源逆变器，不同极性下采用常规的正弦波脉冲调制策略，既能得到所需的三相对称交流电压。本文在拓扑解耦的基础上，提出了一种空间矢量调制的控制新方法：双极性电压空间矢量调制（bipolarvoltagespacevectorpulse-widthmodulation，B-V-SVM）。此控制策略降低了后级矩阵变换器的分析难度，控制过程易于实现，同时，空间矢量控制与正弦波脉宽调制策略相比，具有谐波含量少，纹波低等特点。

1高频链矩阵逆变器的拓扑结构

高频链矩阵逆变器的拓扑结构如图1所示，拓扑结构由前级单相逆变器、高频变压器、单相-三相矩阵逆变器组成。单相逆变器将直流电变换成正负交变高频脉冲电；高频变压器起到输入和输出之间的电气隔离、增加电压等级和降低传输损耗的作用；单相-三相矩阵逆变器由12个IGBT构成的六个双向开关组成，实现正负交变高频脉冲电到三相交流电的转换。

为满足开关导通个数最少的原则和HFLMI输出端不能开路的约束条件，HFLMI输出端共有8种开关组合方式，即每个桥臂的双向开关有且仅有一个处于导通状态。这些状态用空间矢量表示时，可分为两类：6种非零矢量AS（输入电流为输出线电流）和2种零矢量ZS（输入电流为零电流）。As和ZS由双向开关工作状态决定，其导通状况如下：

传统的电压型PWM逆变器输入直流电压极性不变且大小恒定，只需采用常规电压空间矢量调制法，即利用扇区两个相邻的基本矢量与零矢量合成所需的输出电压矢量。而单相-三相矩阵逆变器的输入为正负交变得脉冲电，需对HFLMI输出端的调制进行改进。因此，HFLMI输出端的空间矢量调制法与常规法不同。它是由参考输出线电压所在扇区相邻两个基本矢量（针对于输入正直流电压）和与之极性相反的两个基本矢量（针对于输入负直流电压），以及零矢量——五个矢量来合成输出线电压。由于MI输入电压极性有正有负，将这种调制策略称为双极性电压空间矢量调制策略（简称：B-V-SVM），如图2所示。以扇区1为例，可由U6、U1、U3、U4、和U0五个基本矢量来合成参考输出线电压，其具体方法是：在输入级输出正直流电压时，利用基本矢量U6、U1和U0进行一次空间矢量调制；在输入级输出两级负直流电压时，采用基本矢量U3、U4和U0进行一次空间矢量调制；在输入级输出零电压时输出零矢量，如图3a所示。

可见，采用B-V-SVM策略，可以保证三相输出线电压为对称正弦，mv和n共同决定输出线电压幅值。当变压器变比n=1时，在线性范围内，提高调制度，只能使输出线电压幅值最高达到Udc。如果想提高输出线电压幅值，可通过提高变压器变比来实现。

3仿真结果与分析

在Matlab/Simulink中搭建了基于B-V-SVM的高频链矩阵逆变器的仿真模型。仿真参数如下：直流输入电压100V，额定频率50Hz；负载为星型连接的RL负载：Ro=5，Lo=1mH；变压器变比n；开关频率为10kHz。仿真设置为：0s～0.1s、0.2s～0.3s时间内高频链矩阵逆变器输出级参考输出电压频率为50Hz，而0.1s～0.2s时间内则设置为100Hz。

HFLMI的仿真波形如图4所示。图4a、4b为双向开关T1中的单个可控开关的集射极电压及电流波形，开关管压降无过冲电压，波形干净，幅值基本上维持500V；流过开关电流的周期交变包络线与输出a相电流相对应，其他开关类似。

变压器一次侧/二次侧的电压/电流波形如图4c-4f所示，为正负交变的高频电，高频变压器一次侧/二次侧电压/电流幅值的比例与变比一致；每个PWM周期的高频电流由与五个基本矢量对应的五级电流组成，与本文第3节介绍的B-V-SVM策略相符合。

图4g为LC滤波器前端输出的SVPWM相电压波形。图4h为阻感负载下经LC滤波后输出的相电压和线电流波形，输出相电压畸变较小，正弦度较好，相电压幅值为281.7V，为输入直流电压的2.817倍，有效地提高了电压传输比，且接近理想值2.89倍。图4i为输出相电压的频谱分析图，输出相电压频率除50Hz以外还有一定的高次谐波，相电压波形幅值为277.9V、THD为2.91%。

从图5j中可以看出在输出级参考电压频率变化的情况下，实际输出电压/电流频率能快速跟踪给定值，达到了逆变器的输出频率控制。

4结论

本文分析了高链矩阵逆变器的拓扑结构；提出了高频链矩阵逆变器的B-V-SVM策略；推导了高频链矩阵逆变器的电压传输比。

⑴采用常规的脉冲调制策略，单相逆变器将直流电变换成高频电，经高频变压器隔离变换后，再利用B-V-SVM策略控制单相-三相矩阵变换器，实现高频电到三相交流电的转换，从而达到变压变频控制。

⑵高频链矩阵逆变器具备采用工频变压器隔离的逆变器的电气匹配和隔离的特点。除此之外，由于高频变压器传输的是高频电，因此还具有体积小、重量轻、成本低，传输损耗低，可靠性高等突出优点。

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作者简介:

蒋传荣(1983-)，男，汉族，浙江泰顺人，本科，工程师，主要从事开关电源、逆变器开发工作；

张蕾(1982-)，女，汉族，陕西宝鸡人，硕士，工程师，主要从事飞机地面配套设备、武器装备等研究；

刘林海(1991-),男，汉族，湖南邵阳人，硕士，工程师，主要从事开关电源、逆变器开发工作。