矩阵变换器电流方向换流策略的改进

付光杰 李 航 姜学岭 牟海维

(1.东北石油大学，黑龙江 大庆 163318；2.国网冀北电力有限公司承德供电公司，河北 承德 067000)

矩阵变换器(MC)是一种近年来倍受关注的比较新型的通用三相交-交变换器，与传统的交-直-交变换器相比，具有能够四象限运行、功率密度大、输入功率因数可调、波形失真度小、结构紧凑、效率高及动态响应快等优点[1～4]。由于矩阵变换器中除了用来消除输入电流开关纹波的容量较小的滤波器外，没有中间储能环节和直流环节，因此在工作过程中必须保证输入端不短路、输出端不开路，这就导致控制开关之间的切换具有相当大的难度。因此，安全换流问题成为矩阵变换器发展的难题之一。

1 矩阵变换器的安全环流问题①

典型矩阵变换器的拓扑结构如图1所示，由9个双向开关组成三行三列的开关矩阵，来实现矩阵变换器的变换关系[5，6]。

图1 矩阵变换器的拓扑结构

由图1可以看出，在矩阵变换器的工作过程中，三相电源的各输入端之间要避免短路，否则会出现过电流状态。同时，矩阵变换器输出端一般都接呈感性的负载，因此三相输出端任意两相之间不能出现开路，否则负载会处在断路状态，在电路中形成过电压。在实际应用中，矩阵变换器通过对电路中的9个双向开关中各元件的开通和关断控制，使之组成不同的开关组合，实现对输入电压的斩波，从而达到输出所需电压的目的。理想状态下，开关元件的开通和关断时间都忽略不计，都是瞬间完成的，开关状态如图2a所示。但在实际使用中，开关元件的开通和关断过程是有一定时间的。因此在两个开关切换的过程中会出现时间差，如图2b、c所示。如果两个开关的切换过程中出现如图1b所示的开关S1已经完全关断，开关S2还暂未开通的情况，就会出现在同一时间内两个开关都处于关断的状态，输出端就处在断路状态，产生过电压。如果在两个开关切换的过程中发生如图2c所示的S1尚未完全关断时S2就已经开通的情况，就会出现在同一时间内切换的两个开关都处于开通的状态，必然造成输入电源端突然短路的现象，产生过电流。

图2 两个开关元件切换波形

由以上分析可知，开关元件在开/关过程中都存在一定的时间延迟。为了避免出现换流时电源端短路和(感性)负载端开路而对电源和矩阵变换器安全产生威胁的情况，对开关元件的安全换流进行合理控制就成为矩阵变换器安全换流的重点。

矩阵变换器的关键环节是双向开关，现有的双向开关都是由单向开关组合而成的，迄今为止还没有商品化的双向开关。目前较为成熟的双向开关多由绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)和快速恢复二极管组合而成。图3给出了基于共集电极反向串联原理的双向开关。由于每个开关的特性不可能完全相同，因此无法实现一组开关打开时，另一组开关同时闭合的理想情况，这样就可能造成换流相之间的短路或开路，从而严重损坏电机和主电路。因此双向开关的安全换流成为矩阵变换器应用中需解决的难题之一。

图3 共集电极反向串联双向开关原理

2 四步换流策略及其改进

2.1 四步换流策略

学者们为了解决矩阵变换器的安全换流提出了很多种换流策略，其中半软化四步换流策略和半自然两步换流策略应用较为广泛。半软化四步换流策略(简称四步换流)是根据不同的负载电流方向，分四步对两个双向开关的开通和关断进行控制，能够有效避免输入电源端短路和输出负载端开路。现以两相-单相矩阵变换器中所使用的双向开关为例，介绍四步换流的工作原理。

两个双向开关之间的换流如图4所示。双向开关S1和S2分别由两个单相开关S1n和S1p、S2n和S2p组成。通过上面的讨论可知，要使矩阵变换器实现安全换流必须满足两个条件：首先换流过程中输入端不能短路，即S1p和S2n不能同时导通，S1n和S2p也不能同时导通；其次换流过程中输出端不能断路，即在换流过程中，4个单向开关S1p和S2n、S1n和S2p至少有一个处于导通状态。

图4 两个双向开关之间的换流示意图

现假设换流前系统处在双向开关S1导通的时刻，此时电流经电源V1和双向开关S1流向负载端，设此时负载电流方向为正向，即iL>0。根据需要切换至另一个双向开关S2导通的状态，按照四步换流工作原理的实现步骤如下：

a. 先断开S1的反向开关S1n。此时由于S1的正向开关S1p仍然导通，S2仍处于关断状态，因而输入端既不会短路，输出端也不会有断路情况发生。

b. 开通S2的正向开关S2p。此时虽然S2p处于开通状态，但由于IGBT有单向导电的特性，因而电流不会通过S2p流向V2电源端，这就有效避免了输入电源端短路情况的出现。

c. 将S1的正向开关S1p关断。此时由于S1p由导通转为关断状态，强制将电流转到经S2p由电源V2供给负载。在这段时间里，电路中的S1p和S2n、S1n和S2p中只有S2p一个处于开通状态，因此输入电源端不会出现短路，输出端电源端不会出现开路的情况，实现了安全换流。

d. 将S2中的反向开关S2n开通。

至此，四步换流过程全部结束，原本流经开关S1所在回路的电流被成功切换到另一双向开关S2的回路中。上述换流过程中的步骤b，即S2p开通后，如果电源V1的电压小于V2的电压，则S1n中的二极管两端因承受反向电压而处于截止状态，S1中的电流将会转为经双向开关S2流向负载。可见在两个双向开关换流过程中的步骤c实现零电流关断的几率有50%，元件有一半的机会实现软换流。

iL<0时的换流情况除开关次序与iL>0时有所不同外，其他过程均类似。具体的开关状态如图5所示。

a. iL>0 b. iL<0

由以上分析可以看出，四步换流过程中的步骤b或c为真正的换流时刻，具体发生在哪一步取决于进行换流的两相负载电流的方向和输入电压值。由于将要开通的器件对将要关断的器件施以反压时实现零电流开关的几率为50%，故称之为半软化四步换流。

2.2 四步换流策略的改进

2.2.1检测电流方向方法的改进

目前在矩阵变换器中检测负载电流方向主要采用的是霍尔电流检测法，但在实际应用中，霍尔电流检测法对小电流的检测不是很灵敏。当对负载中的小电流进行检测时，由于灵敏程度的限制致使电路对电流方向的判断经常出现误差，从而导致换流失败。为此，笔者提出检测矩阵变换器负载电流方向的新方法，即检测工作中的矩阵变换器双向开关的管压降，根据其不同的数值来判断负载电流的方向。

矩阵变换器的换流是通过双向开关正/负管的开通和关断来实现的。当图6所示的双向开关中流过从左向右的电流时，开关管S1中的IGBT导通，二极管承受反向压降截止，此时S1两端的电压V1约为2V(IGBT通态压降)，开关管S2中的二极管导通，IGBT截止，S2两端的电压V2约为1V(二极管通态压降)；对应于电流从右到左的情况，V1与V2的电压降分别为-1V和-2V。由此可见，在电流方向不同时，双向开关中各电力电子器件的导通和关断情况决定了双向开关的压降是不同的，通过硬件比较电路可以对双向开关的电压信号进行识别，给出相应的输出信号，经DSP处理后即可对负载电流的方向做出准确判断。通过对负载电流方向的准确判断就能够确定所需的换流逻辑，结合DSP和CPLD即可给出相应的换流时序触发脉冲，实现安全换流。

图6 双向开关结构示意图

2.2.2换流时间的改进

结合前面的分析可知，四步换流过程中的第二步或第三步是真正的换流发生时刻，换流时刻具体发生在哪一步由进行换流的两相输入电压值和负载电流的方向决定。因此，真正的换流时刻与预想的相比有tc或2tc的延迟。由于换流时间的延迟，会在一定程度上导致输出电压波形的畸变，使系统性能恶化。因此，采用最小的换流时间和让换流发生在期望的时刻，在波形质量的改善和系统性能的提升中都有着非常重要的意义。

IGBT同样有开通和关断时间，并且电流越大其开通和关断的时间越长。由于IGBT的开通时间比关断时间要少得多[7]，那么就可以将换流时第一步和第二步之间的时间间隔缩短到零。表1给出了电流对IGBT开通和关断速度的影响，当通过IGBT的电流在1～10A之间时，延迟时间相差不大；超过10A时，延迟时间有比较明显的增加。因此将换流时间tc设置为2 500ns，以保证IGBT有足够的时间进行换流。

表1 电流对IGBT开通、关断时间的影响

以换流时刻的负载电流方向和输入电压值为依据，可以对真正发生换流的时刻是在第二步还是第三步做出判断。如果第二步是真正发生换流的时刻，那么在第二步和第三步的间隔时间tc能够保证换流完成的情况下，第三步和第四步之间的时间间隔可缩短到零。如果在第三步发生真正的换流，在第二步里被关断的开关中流过的电流将为零，那么这两步之间的时间间隔可缩短为零，第三步和第四步间之间的时间间隔tc将足够保证换流的完成。

采用以上处理方法，就能够将四步换流过程中总的换流时间由3tc缩短到tc，并在真正的换流时刻给出正确的时间间隔，可以消除传统四步换流过程中因换流时间的延时所引起的波形畸变，对系统的性能有显著改善。

3 实验

根据矩阵变换器的特点，CPLD选用型号为EPM7128SLC84-7，DSP选用型号TMS320LF2407，共同组成系统的控制单元，图7是所采用控制系统的原理框图。控制系统是矩阵变换器的核心，其工作原理为：通过电压比较器来测得双向开关中电压变化的情况。电压比较器同相输入端对管压降进行取样，反向输入端给电压1.5V。当电压比较器输出为高电平时，表示同相输入端电压高于反相输入端，即S1的压降为2V，电流方向为正向；反之则为电流反向。将电压比较器的比较结果输入至DSP，DSP对信号进行识别，判断出电流方向，由DSP对电路情况进行实时分析，判断出真正的换流时刻，将换流时序以脉冲形式输出到CPLD，用VHDL语言编写四步换流程序下载到CPLD，CPLD综合DSP输出的PWM信号和电流方向检测信号，执行四步换流方式。实验中，CPLD给出的四步换流时序完全正确，保证了矩阵变换器换流时间换流的顺利进行。

图7 矩阵变换器控制系统框图

通过实验，得到如图8所示的输出电压和输出电流波形。由实验波形可见，输入电压的包络线斩波合成了输出电压的瞬时值；由于负载中有电感，起到了滤波的作用，因此输出电流呈正弦波形，输出电压和电流的低次谐波含量小。采用笔者提出的改进四步换流策略对器件在开通和关断过程中的特性进行了充分的利用，显著减小了换流所需时间，对因开关延时而造成的波形畸变起到了显著的改善作用，提高了输出电压和电流的质量。

a. 低频段输出电压

b. 低频段输出电流

c. 高频段输出电压

d. 高频段输出电流

4 结束语

在传统四步换流策略的基础上，提出矩阵变换器中检测负载电流方向的新方法，通过此方法准确地检测出了负载电流的方向，避免了传统检测方式中对小电流检测不灵敏的缺点。根据安全换流的需要对换流策略进行改进，根据不同电流值时IGBT的开关时间，提出一种新的变步长四步换流策略，缩短了换流时间，改善了输出波形质量；设计DSP和CPLD相结合的实验系统并进行了实验分析与验证，实验结果证实新的电流方向检测方法的正确性和变步长四步换流策略的可

行性。为矩阵变换器快速换流的应用奠定了一定的基础。