矩阵变换器的电压型换流策略研究

张文胜 张军 苏冠敏

(1.海军驻青岛地区配套设备军事代表室，山东省 青岛市266044；2.上海91045部队电工教研室，上海 200940;3.大连旅顺口区91555部队，辽宁省 大连市 116000)

1 引言

矩阵变换器(matrix converter，MC)由于换流困难等原因始终无法在大功率环境中得到应用[1-3]，至今为止，国内文献中还没有实现矩阵变换器大功率输出的报道。针对MC的换流策略，国外学者已提出了多种方法，主要分为电流型换流策略和电压型换流策略两大类[4-6]。电流型换流策略方法实现简单，但是小电流检测十分困难，容易造成换流失败。传统的电压型换流策略通过检测输入端电压来控制换流过程，换流较为可靠，但是没有考虑换区间时的情况。

本文受文献[7]启发，研制了一台矩阵变换器原理样机，针对传统电流型换流策略和电压型换流策略的缺点，在其基础上提出了一种含过渡区间的电压型两步换流策略，使得MC的换流过程更为安全可靠。

2 基本6区间电压型换流策略

基本6区间电压型换流策略是在检测输入端电压的基础上发展起来的换流策略，其控制思想是将输入相电压分成6个60°“S”型区间，每个区间内三相输入电压可以分为高、中、低三档（UP、UM、UN），然后在每个区间内根据电压高低进行相应的换流操作，其区间划分如图1所示。

图1 输入相电压区间

以单相输出为例，根据输入电压划分的三档，将6个开关管的连接状态分为3个稳态（P、M、N）和3个暂态（PM、MN、NP），如图2所示。在每个稳态中，6只开关管有 2只作为电流通道双向开通，2只作为辅助换流而开通，另2只关断。

在由P状态换流到M状态的过程中，假设输出电流Io＞0，首先硬关断SP1使电流强迫换相至M相，即关闭一个目标稳态不需要的单向开关进入暂态PM，然后软开通SM2进入M相稳态，即触发目标稳态应该开通的开关管进入稳态M，如图3所示。因为稳态之间的换流受区间内UP＞UM＞UN的影响，6个开关管之间不会发生环流。这种换流法虽然稳态期间多开通了两个管子，但是两步换流过程中始终只有一个开关管进行了硬开关操作，因此也称作半自然换流，其开关损耗和电流型四步换流法相同，而开关次数却有减少。

由上可知，若将电压区间和区间内的6个开关连接状态结合起来可以得到如表1所示的6区间电压型两步换流开关规律表，该表将PMN状态下的开关状态直接映射到abc状态下，以便系统直接对相应的硬件进行操作，Sa1、Sa2等管的分布情况和PMN状态类似。

3 过渡区间内的换流状态

传统两步电压换流法一次换流最多只需开关两次，操作简单，换流可靠，解决了小电流时换流困难的情况。但是这种方法也存在临界的情况，就是在6个区间两两切换的时候，势必有两个电压很接近，处理不好会发生短路，如图1中圆圈处所示。

图2 电压控制型换流法的换流状态

图3 P相到M相的换流过程

表1 6区间电压型两步换流开关规律表

首先分析UP和UM很接近的情况，当处于临界区域时，测量器件不敏感区分两个电压，这时实际的电压可能会出现UP＜UM，由图3可知，临界区域若发生短路，电流流向依次经过UM、SM1、SM2、SP2、SP1和UP形成回路；而UM和UN很接近时，若发生短路，电流流向依次经过UN、SN1、SN2、SM2、SM1和UM形成回路。不论哪种短路情况，短路电流通道必须经过两个IGBT和两个二极管，当两个电压压差超过总的正向电压降时，短路就有可能发生。

一般来说总的正向电压降为：Ufwd=2·(Ufwd_Diode+Ufwd_IGBT)，其值大约在8.6 V到10 V左右，若实际系统的输入电压稍有波动，便超过该阈值，造成输入相短路。

为此对基本6区间换流策略进行了改进，在区间之间插入一定时间宽度的过渡区间，非过渡区间为正常区间，正常区间内检测电路能够准确区分输入电压；而过渡区间内总有两输入相的电压比较接近，而另一相的电压远大于或远小于这两相电压，检测电路不能准确区分两相电压。

在过渡区间内什么是安全的开关状态是需要讨论的问题。

首先，讨论UP≈UM的情况，由于两相电压接近，检测电路不能准确的区分，所以选择P状态开通P相两管的时候，不能开通M相中的任何一管，M状态亦然，即电压接近的两相不能同时开通任意3管，否则可能会造成短路，如表2所示的P和M状态；但UP≈UM时，可以开通电压接近的两相同一侧的两管，而不会导致短路，如表2所示的N状态。

同理，可以解决UM≈UN的情况，过渡区间内暂态的时间和正常区间的设置相同，一般可设置为2～4 µs，视开关器件特性而定。

由表2可以看出，在过渡区间内，其主状态可从正常区间稍作调整而来，电压相差较大两相之间的换流暂态也有对应的状态，而电压接近两相之间的换流暂态却没有合适的状态与之对应。实际工作中若在电压接近的两相之间发生换流，则会出现不可预知的后果，必须采取措施改进。

表 2 PMN状态下正常区间和过渡区间开关规律表

表3 含有过渡区间的开关规律表

参考基本6区间换流策略的方法，结合电压区间和区间内的6个开关连接状态，将PMN状态下的正常区间和过渡区间开关状态直接映射到abc状态下，可得到表3，限于篇幅，表3只摘录了一部分。

4 采用换序法实现电压两步换流策略

由前面可知，在过渡区间内，实际工作中若在电压接近的两相之间发生换流，则会出现不可预知的后果，对此文献[7]提出了几种控制方法，主要有替代法、插入法和换序法。替代法会对输入输出波形有较大影响；插入法虽然简单，但是插入的矢量会占用其它矢量的作用时间，对输出波形也有一定的影响；相对来说换序法比较可行，但是该文献对此方法描述不多，只是介绍了其原理，具体实现面临很多问题。本文提出的方法基于换序法，并在其基础上作了改进和完善。

假设a和b相接近，检测电路不易区分，在一个开关周期内，矩阵变换器的原调制策略需要将负载依次连接到a相，b相和c相，如图4左图所示。这就意味着负载电流需要先从a相换到电压接近的b相，然后从b相换到c相，这样电压接近的a、b两相之间可能会换流失败。所谓换序法，就是将b相和c相导通的次序进行调换，负载电流将先从a相换到电压相差较大c相，然后从c相换到与其电压相差较大的b相，如图4右图所示。由于换序法只调整开关状态的次序，只在压差较大的两相之间换流，避免了进入类似表3中无合适状态的现象，其本质上仍然是两步换流，没有增大开关损耗，因此输入电流和输出电压波形依然保持为良好的正弦。

图4 换序法的工作原理

矩阵变换器的换流策略和其调制策略密切相关，目前空间矢量调制技术已被视为是矩阵变换器非常重要的调制技术，有可能首先成为其实用调制技术。本文采用的换流策略是基于空间矢量调制技术的。表4为空间矢量调制法在不同输入电流区间和输出电压区间下的矢量选择表，限于篇幅，只摘录一部分，其中αm、αn、βm、βn代表4个合成的矢量，0代表零矢量，3个字母表示输入相和输出相的连接状态，如abb表示输入a相和输出A相连接，输入b相和输出B、C相均连接。

下面以在U2输出电压区间、I3输入电流区间（U2-I3）的矢量为例来说明换序法实现的过程。

表4 空间矢量调制法的矢量选择表

采用普通的空间矢量调制法，在一个开关周期内的矢量变换顺序为：

αm-αn-βm-βn-0-βn-βm-αn-αm，零矢量有aaa、bbb、ccc三种可选择，以降低开关次数为目标。

在U2-I3区间里，矢量的变换顺序为：

bbc-cbc-bba-aba-aaa-aba-bba-cbc-bbc，开关次数为10次。

采用降低开关损耗的调制策略[15]，将αm和αn对调，矢量的变换顺序可调整为：

cbc-bbc-bba-aba-aaa-aba-bba-bbc-cbc，开关次数降低为8次。

图5 输入电流区间和换流区间的关系

由图5可知，在I3输入电流区间内存在换流III-IV过渡区间（即Ua≈Uc），因此必须禁止a相和c相之间换流，由于在I3输入电流区间内Ub＞Uc，Ub＞Ua，采用换序法应该先换相至b相，然后再换至目标相。这样整个开关区间内的矢量变换顺序调整为：

cbc-bbc-bbb-bba-aba-bba-bbb-bbc-cbc，

或aba-bba-bbb-bbc-cbc-bbc-bbb-bba-aba，

开关次数也为最小次数8次。需要注意的是零矢量的位置再也不是放在调制顺序的中间，而是被换到第3矢量的位置来避免接近两相之间的换流，而且这种矢量变换的顺序是唯一（逆序不算的话）和最优的。

图6 原理样机的实验波形

最终可以将这种换序法推广到整个输入输出区间36种矢量选择表，这36种各自唯一的变换顺序通过将零矢量调整至第3矢量位置，不仅避免接近两相之间的换流，而且开关次数也达到最小。

5 换流策略的实验结果

为了验证该换流策略的可行性和正确性，本文研制了一台矩阵变换器原理样机，同时进行了实验测试。测试时输入线电压300 V、频率50 Hz，输出滤波器参数为1 mH电感和10 µF电容，阻性负载10 Ω。实验时，输出频率25 Hz，输出电流为8.8 A，输出功率为2.3 kW，实验波形如图6所示。

从实验结果可以看出，在300 V输入和2.3 kW 功率输出情况下，系统工作稳定且没有发生输入相短路，说明该换流策略是可行的、正确的。

6 结论

本文在传统的矩阵变换器电压型两步换流法的基础上，提出了电压型两步换流策略。避免了电流型换流法小电流检测困难的问题，解决了原来换流法换区间时容易短路的现象，完善了电压型换流策略。功率实验结果表明，该换流策略是可行的，提出的新型换流策略可以在大功率交－交电力变换中得到进一步推广和应用。

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