基于空间矢量调制的升压型矩阵式变换器的实现

潘悦维 万衡， 黄佳 陈文博

(1.华东理工大学 自动化系，上海 200237 2.上海应用技术学院，上海201418)

0 引言

矩阵式电力变换器是电力电子领域的研究热点，其没有中间直流环节，直接变频，功率因数可调，省去了笨重而昂贵的中间直流环节［1］，成为电力变换器的一个研究热点。由于矩阵变换器在线性调制区的最大电压传输比只能达到0.866［2］，因而严重影响了基于恒压频比调速电机的调速范围等应用［3］，所以进一步提高电压传输比成为矩阵变换器研究中的一项关键技术。文献［4］提出了直接频率变换器(即矩阵式变换器)的两种预测空间矢量调制策略可使电压传输比最大提高到0.99。文献［5，6］分别采用过调制法与谐波注入法将电压传输比最大提高到了1.0。如何提高电压传输比，达到大功率高电压传输比变换，成为矩阵式变换器发展过程中一个重要课题。本文提出一种具有升压矩阵式电力变换器的拓扑结构以及相应的空间矢量调制策略，从机理上突破了制约电压传输比提高的技术瓶颈，使其能够达到和超过1，符合工程实用化的要求，为日后样机的研制奠定了坚实的基础。

1 升压型矩阵式变换器的基本原理

升压型矩阵式电力变换器的基本拓扑结构如图1所示，Sjk(j={U，V，W}为输入的相，k={a，b，c}——输出的相)和 S0U，S0V，S0W是双向功率开关。按其功能，可分为两部分，一部分是电压传输比调制电路，另一部分为波形调制变换电路，即矩阵电路;就其在控制电压传输比中的作用而言，前者又可以分成升压回路和降压回路。不同的划分是为了能更明确地说明其工作原理，并不表示其各部分的工作过程是相互孤立的。

升压电路的工作周期T可以分为Ton和Toff两个部分［7］。

Ton时 段:SOU、SOV、SOW导通，LIU、LIV、LIW从电源吸收并储存能量;Toff时段 SOU、SOV、SOW截止，电源与 LIU、LIV、LIW的电势串联，向 CIU、CIV、CIW充电。而此后CIU、CIV、CIW两端的电压将是升压型电路的输出电压。选择适当的Toff，使得充电电容电压大于电源电压［8，9］。

定义以下开关函数:

图1 三相升压型矩阵式变换器拓扑结构图

在时间ts中，开关满足以下条件:

图2描述了升压型矩阵式变换器控制策略的一般形式。当占空比和器件开关频率确定以后，各个功率开关的开关时间就确定了。在Ton阶段，矩阵开关交替闭合，双向开关S0U，S0V，S0W断开;在Toff阶段，矩阵开关全都断开，双向开关S0U，S0V，S0W闭合。

图2 控制策略一般形式的描述

2 升压型矩阵式变换器的空间矢量调制原理

图3为矩阵式变换器输出线电压矢量合成示意图［10］。其中U1～U6及I1～I6分别为非零的空间电压矢量和非零的空间电流矢量，除此之外，还有零矢量U0(包括U7)及I0(包括I7)，图中未标出。

图3 矩阵式变换器输出线电压矢量合成示意图

为了获得频率可变的三相输出电压，可以定义一个输出线电压的参考矢量，这是一个以 ωo为角速度围绕中心点做连续旋转的空间参考矢量。如果采用上述8种空间电压矢量近似地合成这个参考矢量，就可得到所需的输出频率为ωo/(2π)的三相正弦输出线电压。逆变器供电时，某一t时刻输出线电压参考矢量可以用Uref所在扇区的两个非零电压矢量和零矢量来合成。

按照上述调制方法即可在整个复平面内采用逼近圆形的旋转磁场方式合成出输出线电压矢量Uref，从而获得所需的三相输出线电压。

同理，对于虚拟整流器也可采用复空间表达方式定义输入相电流矢量(图4)，获得输入电流矢量调制方案。

对于升压型矩阵式变换器来说，同一开关既要承担整流任务，还要承担逆变任务。在同一个周期中既要进行输出电压和输入电流的空间矢量调制，又要进行交流升压电路的调制，且一个周期对应了6个占空比，每个占空比对应一个开关组合，分别为:

图4 矩阵式变换器输入相电流矢量合成示意图

对于升压型矩阵式变换器，我们将周期T中的Ton时段设为Ts，则 Toff，通过改变 SOU、SOV、SOW的开关占空比达到调节输入侧电压传输比的目的，同时又实现了矩阵式变换器的空间矢量调制。

3 仿真模型的建立

本文使用PSIM 9.0来进行升压型矩阵式变换器的仿真研究［11］。升压型矩阵式变换器的仿真模型由电压电流扇区判断电路，占空比计算电路，开关触发电路以及开关矩阵电路组成。

4 升压型矩阵式变换器的仿真研究

在PSIM 9.0中采用上述空间调制策略进行升压型矩阵式变换器的仿真研究。仿真模型中负载为10 Ω，电感为0.5 mH，电容为50 μF，系统的斩波频率为10 kHz，输入电压为峰值100 V，频率50 Hz的三相交流电，期望输出分别设为60 Hz，ds分别为0.7和0.8。仿真步长设定为定步长2E-6 s，仿真时间0.5 s，得到三相泵式矩阵变换器的输入输出电压波形以及傅里叶分析图如图5和图6所示(均取一相电压作为比较)。从图中可以看出电压传输比均超过1。

由上面的仿真结果我们可以看到，升压型矩阵式变换器既有传统矩阵式变换器变频的特性，同时又突破了传统矩阵式变换器电压传输比Q≤0.866的瓶颈，使电压传输较易任意调节，符合工程实际要求。

图5 ds=0.7时的输入输出电压波形以及FFT分析

图6 ds=0.8时的输入输出电压波形以及FFT分析

5 结束语

本文提出了一种新型的升压型矩阵式变换器拓扑结构以及其相应的空间矢量调制策略。通过PSIM仿真软件验证了该拓扑结构以及调制策略的可行性，并且选择适当的ds，电压的传输比可以超过1，实现升压目的。

［1］P.Wheeler，J.Rodriguez，J.Clare，L.Embringham，A.Weinstein.Matrix converters:a topology review.IEEE Trans.IA.2002，129(5):276-288.

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［3］陈伯时 .电力拖动自动控制系统［M］.第2版 .北京:机械工业出版社，2001.

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［5］郭有贵，喻寿益，朱建林.交一交矩阵变换器电压传输比的仿真研究［J］.系统仿真学报，2006，18(12):3482-3485.

［6］郭有贵，喻寿益，朱建林.提高矩阵变换器电压传输比的新型调制策略［J］.控制理论与应用，2006，23(4):542-546.

［7］万衡，单相矩阵变换器的研究与应用［D］.上海:华东理工大学博士学位论文，2001

［8］Jie Chang，Tom Sun，Anhua Wang.High compact AC-AC converter achieving a high voltage transfer ratio.IEEE Trans. on Industrial Electronics，2002，49(2):345-352

［9］Zbigniew Fedyczak，Paweá Szcze Ĉniak，Igor Korotyeyev.New Family of Matrix-Reactance Frequency Converters Based on Unipolar PWM AC Matrix-Reactance Choppers.13th International Power Electronics and Motion Control Conference.2008:236-243

［10］黄科元.矩阵式变换器的空间矢量调制及其应用［D］.杭州:浙江大学博士学位论文，2004

［11］Ashwin Kumar Sahoo，J.Meenakshe，S.S Dash，T.Thyagarajan.Analysis and simulation of Matrix Converter Using PSIM.The 7th International Conference on Power Electronics.2007:414-419.