基于FPGA+DSP的矩阵变换器的开发

许强强 宋泽琳

(1.北京理工大学珠海学院信息学院，广东 珠海 519088；2.珠海格力电器股份有限公司制冷技术研究院，广东 珠海 519070)

矩阵变换器(Matrix Converter)是以交-交变换方式来实现电力变换的，是目前最先进的电力变换方式。与传统的交-直-交变换方式相比，最突出的优点在于其输入功率因数可控并且去除了传统变换方式中的大储能元件[1，2]。

笔者利用Matlab/Simulink建立了矩阵变换器仿真模型，验证了间接矢量调制策略的正确性，设计制作了矩阵变换器样机，输入采用LC滤波器，箝位电路，输出带阻感负载，并在样机上实现四步换流FPGA逻辑算法设计。

1 矩阵变换器的系统构成①

矩阵变换器分为单级和双级两种，也分别称为直接和间接矩阵变换器。笔者以单级矩阵变换器为研究对象，其由9个双向开关构成，如图1所示。三相输入与输出通过开关直接相连，通过对双向开关的逻辑控制，可以实现AC-DC、DC-DC、DC-AC任意电力变换，但AC-AC变换是研究的重点[3，4]。

控制器采用FPGA+DSP结构实现，总体设计框图如图2所示。主电路采用高频IGBT作为主功率器件；DSP负责完成矩阵变换器控制算法，并最终生成9路PWM控制信号，送至FPGA控制器；FPGA接收DSP时钟信号，通过DCM(时钟管理模块)将15MHz时钟信号分频为FPGA所需的6MHz时钟信号，接收复位、三路电流方向检测信号和9路DSP输出PWM信号；电流方向检测信号供FPGA实现四步换流，最终得到矩阵变换器的18路PWM控制信号，并通过驱动电路实现对矩阵变换器主电路的控制。

图1 矩阵变换器拓扑结构

图2 矩阵变换器总体设计框图

2 电流四步换流原理

矩阵变换器是一次变换器，无须中间储能环节。通过双向开关的逻辑控制，快速改变输入与输出的连接方式，即可实现幅值和频率的改变[5]。由于矩阵变换器通过9个双向开关将三相输入/输出直接相连，不存在续流环节，因此需要对双向开关进行逻辑控制来实现安全换流、调频、调幅。通常，矩阵变换器的输入侧为三相电压源，而输出侧可等效为三相电流源。为实现安全换流，矩阵变换器的工作过程中必须遵循两个基本原则[6，7]：

a. 为避免过流，与同一输出相相连的3个开关有且只能有一个导通；

b. 为防止过压，三相输出端的任意一相电路均不能断路。

图3为两个双向开关之间的换流示意图，图中两个单向开关S1n与S1p组成双向开关S1，两个单相开关S2n与S2p组成双向开关S2。为防止出现过流，换流过程输入电源端不能短路，即S1p和S2n不能同时导通，S1n和S2p也不能同时导通；为防止出现过压，换流过程中输出端不能出现断路，即在换流过程中，4个单向开关中至少有1个处于导通状态。换流的过程是伴随着电流方向来区分的，由于能量是在电源和负载之间双向流动交换的，因此电流方向分为电源流向负载和负载流向电源两种，此处定义电源流向负载为正方向，图4所示为iL>0时4步换流控制信号波形。

图3 两个双向开关之间换流示意图

图4 iL>0时各开关换流波形

设计中设置IGBT的导通、关断延时统一为2μs，IGBT的关断时间为1μs，开通时间小于关断时间，因此2μs的延时足够满足一个IGBT的导通或者关断时间。

3 空间矢量调制策略

空间矢量调制算法是虚拟直流储能环节，将矩阵变换器虚拟为电压源整流器与电压源逆变器，采用传统的空间矢量法进行合成[8～10]。

图5a所示的正六边形由6个有效矢量划分为6个输出电压扇区，在每个扇区中的参考输出电压矢量可由该扇区中相邻的两个有效矢量按相应占空比合成得到；两个相邻有效矢量的占空比分别为dm与dn；图5b中为虚拟整流器，两个相邻有效矢量的占空比分别为dα与dβ。

图5 虚拟整流器与虚拟逆变器空间矢量合成

每个PWM周期内实际矩阵变换器的4个有效矢量开关状态分别定义αm、αn、βn、βm。由于虚拟整流器和虚拟逆变器空间矢量调制中分别存在6个输入电流扇区和6个输出电压扇区，实际矩阵变换器存在36种不同的输入电流-输出电压扇区组合[11,12]。

4个有效矢量开关状态与零矢量开关状态的占空比分别为[13,14]:

4 样机和实验波形

基于四步换流和空间矢量调制策略，分别在仿真和实验中对方案进行研究:

a. 仿真验证。在Matlab/Simulink中利用理想开关搭建MC的模型，其输入采用LC滤波，输出分别采用带纯阻性负载和阻感负载，直接给定调制系数0.8，实验中负载采用36Ω电阻和8mH电感，其仿真波形如图6、7所示。

b. 实验验证。为进一步验证所采用的控制策略，在仿真的基础上利用FPGA和DSP控制器搭建了实验平台。矩阵变换器输入侧为电网电压，输出侧为阻感负载，参数与仿真中设置一致。实验波形如图8、9所示。

图6 三相阻性负载(36Ω)相电流波形

图7 三相阻感负载相电流、线电压波形

图8 三相对称负载(36Ω)相电流波形

图9 三相感性负载(36Ω,8mH)相电流波形

在实测波形中发现，当输出PWM波形中出现窄脉冲(脉冲作用时间小于换流时间)时，会导致触发脉冲的丢失，引起输出波形畸变。

经实验验证，高调制比输出时，出现窄脉冲的几率小，给定调制比越低，实际输出电压中谐波含量越大，THD值越高，因此实验中直接给定调制系数为0.8，保证了输出电流、电压的正弦性[15]。通过仿真和实验实测波形对比，波形基本相符，验证了四步换流程序和空间矢量调制策略的正确性、可行性。由于实验样机的功率管不是仿真中的理想开关，双向开关的开通、闭合具有响应延时，使实验波形没有仿真中的效果好。引入闭环控制，可以改善矩阵变换器的输出电能质量。

5 结束语

设计了基于FPGA和DSP构成的矩阵变换器样机，阐述了四步换流策略及所采用的空间矢量调制策略。通过对比仿真和样机实测波形，验证了系统设计的正确性、可靠性。但设计中的负载只涉及到了阻感负载，而矩阵变换器的最终广泛应用是电机交流调速，而这将是后期继续研究的方向。