矩阵变换器中的换流过程的仿真+文献综述(4)
第吹冰章总结与展望。
2 矩阵变换器的基本原理
2.1 矩阵变换器的基本拓扑结构
从理论上讲,矩阵变换器是一种含有m n个双向开关的电力变换器，它可以将输入侧的m相电压源直接连接至n相负载。在目前的研究工作中,以三相--三相矩阵变换器为重点。实用的三相--三相矩阵变换器包含9个双向开关 ，每个双向开关都具有双向导通和双向关断的能力，其电路拓扑结构如图2.1所示。通常情况下,矩阵变换器的输入侧为三相电压源，而输出侧为三相感性负载，可等效为三相电流源。因此，根据电压源和电流源的特性，矩阵变换器在工作过程中必须遵循两个基本原则：
1)矩阵变换器的三相输入端任意两相之间不能短路，避免使电压源短路造成过电流；
2)矩阵变换器的三相输出端任意一相电路均不能断路，以防止感性负载突然断路而造成过电压。
图2.1 三相一三相矩阵变换器的主电路拓扑
输入侧为电网侧，经输入滤波器到开关矩阵，该输入滤波器主要用于滤除双向开关带来的高次谐波，经开关矩阵后电能到达负载。多数情况下变频器都是用于拖动电机运转，所以此处用电机符号表示负载。矩阵变换器的拓扑结构与传统交直交式变频器的结构区别非常明显：没有中间直流环节、没有直流储能器件、拓扑结构相对简单、功能区域明了。
2.2 矩阵变换器的双向开关
2.2.1 双向开关构成
矩阵变换器由9个双向开关组成，每个双向开关都具有双向的导通和关断能力。但是，目前市场上尚未出现能够直接实现上述功能的电力电子开关器件，因此在矩阵变换器的研制开发中，需要采用分立的开关器件来组成双向开关。目前在研究中，通常使用分立的电力电子器件IGBT来实现矩阵变换器的双向开关，共有三种构成方式：二极管桥式、共集电极式和共射极式，另外也可以采用新型器件逆阻式IGBT反并联构成双向开关，如图2.2所示。
图2.2 a二极管桥式结构 b普通工GBT共射极式结构
c普通IGBT共集电极式结构 d逆阻式IGBT反并联结构
2.2.2 开关器件换流原理
在矩阵变换器的电路中，由于没有电流的自然续流，使得开关器件之间的换流比传统的交--直--交PWM变频器要困难的多，而且，矩阵变换器的开关器件换流控制必须严格遵循2.1节所述的两个基本原则，即要保证在运行过程中，输入侧电路没有短路，输出侧电路没有断路。
先以两相开关的简单电路作说明，如图2.3a所示。当输出电流从一个双向开关 换流至另一个开关 时，理想开关情况下如图2.3b所示，当 关断时， 开通。但是在实际的电路中，每一个双向开关均包含两个可控的期间，因此很难保证每一个开关的动作同步性，很有可能会出现死区时间和重叠时间(如图2.3c、2.3d)而造成短路或者断路故障。为了确保矩阵变换器的正常工作，实现可靠的换流，双向开关之间的换流通常需要采用多步换流策略。由于依据的信息不同，换流策略主要分为基于输出电流方向的检测和基于换流电压的检测两大类。
图2.3 矩阵变换器双向开关换流
a双向开关换流动作 -- b理想情况 c死区情况 d重叠情况
传统的基于输出电流方向检测的四步换流策略目前己经得到了广泛应用，具体的换流步骤如图2.4所示。这种方法检测输出电流的方向，并根据此信息实现四步换流的步骤。在图2.4中，假设电流从变换器流向负载时电流方向信号为1，反之则为O。以电流方向信号为1时为例，此时，电流从矩阵变换器流向负载，并将双向开关 换流到 。此时的换流步骤:第一步,在开通 前必须先关断 ， 否则 和 将通过又 和 ,形成短路回路;第二步,开通 ，如果 > ，此时流经负载的电流将立刻从 转移 ，否则负载电流将继续流过 ；第三步。在开通 之前须先关断 ，此时负载电流已经转移至 ，第四步,开通 。当输出电流方向信号为0时，可采用相同的方法分析出每一步应该采取的换流动作。