基于高频矩阵变换器的新型开关电源

孙梅迪，王辉，李幸（湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082）



基于高频矩阵变换器的新型开关电源

孙梅迪，王辉，李幸
（湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082）

摘要：针对开关电源输入级存在谐波污染、功率因数低、效率低等问题，研究了一种基于高频矩阵变换器的新型开关电源。结合高频矩阵变换器和高频变压器，经二极管全桥整流，输出稳定的直流电压，将3级结构简化为2级结构。采用双极性电流空间矢量调制算法，可保证单位功率因数输入。采用输出电压闭环控制，在输入电压波动、负载变化的情况下均可保证输出电压稳定，显示了其良好的稳定性、动态性以及抗扰性。通过Matlab/Simulink仿真验证了调制和控制策略的正确性。

关键词：高频矩阵变换器；开关电源；双极性电流空间矢量；闭环控制

开关电源在电力、国防、机械、交通设备及通信系统等领域有着广泛应用，高频化、高效率、小型化以及绿色化，是未来的发展方向［1］。

传统的开关电源，采用3级结构［2］：前级AC/ DC整流器、中级DC/AC逆变器、后级AC/DC整流器。其中，前级AC/DC整流器多采用桥式不控整流；中级DC/AC逆变器多采用逆变器和高频变压器；后级AC/DC整流器多采用二极管整流器。输入侧不控整流产生的大量谐波会对电网造成污染，且功率因数低、效率不高。本文研究的新型开关电源无中间直流环节，将3级结构简化为2级，实现三相-单相交流的直接转变，且为单位功率因数输入，降低了对电网的谐波污染，提高了供电效率［3］。即采用高频矩阵变换器和高频变压器将前、中2级合并。

高频矩阵变换器（HFMC）是一种新型的功率变换器，有如下优势：功率因数可控；输入电流对称正弦；真正的4象限运行；输出端无电容；输出直流电压调节范围宽；易于模块化［4］。其调制算法主要有以下几种：开关函数算法；电流空间矢量调制算法；双线电压合成算法以及其他不平衡条件下的改进算法［5-6］。文献［7］对矩阵变换器进行了开关函数的建模分析，可实现输出电压幅值可调，极性可调。但存在仿真实验时间长、效率低的问题。文献［8-9］基于双线电压调制法引入占空比负反馈，有效地抑制了输出电压畸变。双极性电流空间矢量调制B-C-SVM可实现单位功率因数可调，输入电流对称正弦等［10］。

本文研究了新型开关电源的拓扑结构和工作原理，分析了双极性电流空间矢量调制策略在高频矩阵变换器的应用。采用输出电压闭环控制，增加了系统的稳定性、动态性能及抗干扰性。在输入电压波动以及负载变化的情况下，仍能保持良好的控制效果。控制系统具有输入电流谐波含量低、单位功率因数、输出电压纹波小、动态性能好等特点。通过Matlab/Simulink建立系统仿真模型，验证了调制和控制策略的正确性。

1　新型开关电源的工作原理及其调制策略

本文提出的新型开关电源的拓扑结构如图1所示［11］，包含输入LC滤波器、高频矩阵变换器、高频变压器T、二极管全桥整流器、输出LC滤波器以及负载电阻。其中，高频矩阵变换器由12个IGBT构成，即6个双向开关。网侧经高频矩阵变换器将三相正弦工频交流电转化为正负交变的单相交流高频电，经高频变压器升压后通过二极管全桥整流器转化为直流电，输出滤波器降低了输出电压的脉动。该结构将3级结构简化为2级且单位功率因数输入，降低了对网侧的谐波污染，提高了效率。

图1　新型开关电源拓扑结构Fig.1 Topology of the novel switching power supply

高频矩阵变换器，采用的是双极性电流空间矢量调制B-C-SVM策略［12］。将常规SVPWM调制策略中，每个PWM周期均分为前后半周期，在前半周期采用常规的矢量调制策略，在后半周期采用相反的矢量进行调制，从而产生大小相等方向相反的矢量，即形成正负交变的单相高频交流电。采用该调制策略，可以保证网侧输入电流对称正弦和功率因数可调。

同常规SVPWM调制策略一样，可合成6个有效的输入电流开关矢量和3个零矢量［13］。将参考输入电流矢量分为6扇区，在复平面上以6个有效开关矢量为边界，如图2所示。每个开关矢量后面括号的2个字母依次表示与输出p，n极相连的输入相。

图2　6扇区的划分及空间矢量合成Fig.2 Division of 6 sector and space vector synthesis

以参考电流矢量处于Ⅰ扇区为例，在前半周期采用常规SVPWM调制方法，由其所处扇区相邻的2个有效开关矢量i1（ab）和i2（ac）及零矢量合成，并计算相应的占空比dab，dac，d01，如下式，此时输出正向电流：

式中：m为调制比，m =Iim/I1m（0≤m≤1）。

在后半周期采用与前半周期相反的矢量i4（ba）和i5（ca）及零矢量来进行合成，由于电流参考矢量仍处于第Ⅰ扇区，而采用相反的矢量合成则恰好合成大小相等方向相反的电流，占空比计算如下：

根据式（1）、式（2）可以得到相应的开关管的导通时间，如图3所示，在前半周期i1（ab）和i2（ac）及零矢量合成正向电流，而后半周期i4（ba）和i5（ca）及零矢量合成反向电流。

图3　前后半周期开关矢量顺序Fig.3 Switch vector sequence in each half period

假设高频矩阵变换器的输入相电压为

需要调制得到的三相参考输入相电流为

式中：Ucm为高频矩阵变换器输入相电压的幅值；Im为其输入相电流的幅值；ωi为输入角频率；φ为输入相电流和参考输入相电流的相位差。

以参考电流矢量处于第Ⅰ扇区为例，前半周期高频矩阵变换器的输入电流平均值为［14］

式中：I1m为高频矩阵变换器的输出电流。

同理可得，后半周期高频矩阵变换器的输入电流平均值为

故可知，前后半周期的输入电流平均值相等，可以保证高频矩阵变换器输入电流为三相对称正弦电流。通过调节φ的取值，可调节功率因数，当φ=0时，为单位功率因数。

前半周期高频矩阵变换器的输出电压平均值为

同理可得出，后半周期输出电压平均值为

可得，前后半周期的输出电压平均值大小相等，符号相反，故输出侧呈现正负交变的高频交流电压。即本文所采用的双极性电流空间矢量调制策略是正确的。

2　新型开关电源的控制策略

为输出稳定的电压，采用电压闭环控制策略，如图4所示。输出电压给定值uo*与检测值uo比较后经PI控制器得到高频矩阵变换器的输出电压平均值U1*的给定值。由式（7）、式（8）可知，输出电压在前后半周期的平均值大小相等符号相反。但调制比的符号都为正，仍可通过其输出电压U1的给定值计算相应的调制比，再按照B-CSVM调制策略完成各开关管占空比的计算。输出电压闭环的控制可以在输出负载变化以及输入电压波动时，输出稳定的直流电，提高了系统的稳定性和抗干扰性。

图4　新型开关电源控制框图Fig.4 Control structure of the novel switching power supply

3　仿真结果

本文在Matlab/Simulink中搭建了新型开关电源的仿真模型，其性能指标为输入电压220（1± 0.10）V，输出电压(400±2)V，开关频率20 kHz，功率因数大于0.99，功率20 kW。仿真参数如下：输入侧电阻Rac=3 Ω，电感Lac=1 mH，电容Cac=30 μF，输出侧电感Ldc=1 mH，电容Cdc=150 μF。

图5中，输出电压稳定在400 V。调节时间为0.005 s，超调量为5%，电压波动0.5%。系统具有良好的稳态性能。从图6输入电压和电流波形可看出，该控制方法可保证输入单位功率因数。

图5　输出电压波形Fig.5 Waveform of output voltage

图6　输入电压和电流波形（a相）Fig.6 Waveforms of input voltage and current（phase a）

3.1负载变化

仿真模拟负载突变的情况下，电路对电压的控制效果。设置输出负载在t=0.1 s时由R=8Ω变化到R=12 Ω，在t=0.2 s时变化到6 Ω。由图7可知，输出电压保持不变，在切换瞬间会有小幅震荡后迅速稳定；输出电流相应的变化，系统动态响应良好；输入电流（a相）跟随负载变化而变化，能保持对称正弦且为单位功率因数。

图7　负载变换时输出电压和电流以及输入电流波形Fig.7 Waveforms of output voltage/current and input current with disturbance of load

3.2输入电压幅值变化

仿真模拟输入电压幅值不同的情况下，电路对电压的控制效果。图8～图10分别给出了输入电压幅值为220 V（额定），200 V，240 V时的调制比波形。可以看出，当低于额定输入电压时，调制比会增大；当高于额定输入电压时，调制比会减小。本文的参数选定，在输入电压波动10%的范围内，均保证调制比0≤m≤1，且输出电压稳定于400 V。在额定电压下效率为86%，在输入电压波动10%内，总效率范围为76%～96%。

图8　输入电压220 V时的调制比m波形Fig.8 Waveform of modulation ratio m when US=220 V

图9　输入电压200 V时的调制比m波形Fig.9 Waveform of modulation ratio m when US=200 V

图10　输入电压240 V时的调制比m波形Fig.10 Waveform of modulation ratio m when US=240 V

4　结论

本文研究了一种基于高频矩阵变换器的开关电源。通过对其拓扑结构和双极性电流空间矢量调制策略的分析，提出了电压闭环的控制策略。通过仿真验证了该系统良好的稳定性、动态性能及抗干扰性。由于开关电源负载种类多、应用范围广，将该高频矩阵变换器进行模块化处理，进一步研究其可扩展性和可靠性是非常必要的。

参考文献

［1］宗延涛.基于PWM整流器的新型开关电源的研究［D］.济南：山东科技大学，2011.

［2］丁士启.冶金用大电流高频开关电源技术研究［D］.长沙：湖南大学，2012.

［3］Keping You，Dan Xiao，Muhammed Fazlur Rahman，et al. Applying Reduced General Direct Space Vector Modulation Approach of AC-AC Matrix Converter Theory to Achieve Direct Power Factor Controlled Three-phase AC-DC Matrix Rectifier ［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2014，50 （3）：2243-2257.

［4］Miura Y，Kokubo S. Power Modulation Control of Three-phase to Single-phase Matrix Converter for a Gas Engine Cogeneration System［J］. IEEE，2008：2704-2710.

［5］粟梅.减少间接矩阵变换器共模电压的改进空间矢量调制策略［J］.中国电机工程学报，2014，34（24）：4015-4021.

［6］Yang Xijun，Ye Pengsheng，Liu Xiang，et al. Simulation Analysis on Current SVM Algorithm of Matrix Rectifier［C］//International Power Electronics Conference，2006.

［7］杨喜军，叶芃生.矩阵整流器开关函数算法与电流空间矢量调制算法的研究［J］.中国电机工程学报，2006，26（24）：43-49.

［8］王毅.双电压合成矩阵变换器闭环控制的研究［J］.中国电机工程学报，2002，22（1）：74-79.

［9］Yan Zhaoyang. A Novel Absolute Value Logic SPWM Control Strategy Based on De-re-coupling Idea for High Frequency Link Matrix Rectifier［J］. IEEE Ransactions on Industrial Informatics. 2013，9（2）：1188-1197.

［10］Alejandro Garc′es，Marta Molinas. High Frequency Wind Energy Conversion from the Cean［C］// International Power Electronics Conference. 2010：2056-2061.

［11］Van Zhaoyang，Zhang Kun. Study of a Novel SPWM Modulation Strategy Based on Absolute Value Logic for High Frequency Link Matrix Rectifier［C］//IEEE International Symposium on Industrial Electronics，2009：1526-1529.

［12］龙美志，邓文浪.基于新型两步换流的高频链矩阵整流器控制［J］.电气自动化设备，2013，33（10）：130-135.

［13］李幸.矩阵变换器的无功特性及控制研究［D］.长沙：中南大学，2014.

［14］邓文浪.双级矩阵变换器及其控制策略研究［D］.长沙：中南大学，2014.

修改稿日期：2016-01-27

Novel Switching Power Supply Based on the High-frequency Matrix Converter

SUN Meidi，WANG Hui，LI Xing
（College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，Hunan，China）

Abstract：Considering the harmonic population，low power factor and efficiency of the switching power supply，a novel based on the high-frequency matrix converter is discussed.Combined the high-frequency matrix converter and high-frequency transformer and with the diode rectifier，the output voltage is stable which simplifying the tertiary structure to two.The bipolar current space vector pulse width modulation is used to the unity power factor.With the closed-loop control，the output voltage in spite of the disturbance of the input voltage and load can remain stable. Finally，simulation in Matlab/Smulink results verify the correctness of the modulation and control method.

Key words：high-frequency matrix converter（HFMC）；switching power supply；bipolar current space vector pulse width modulation（B-C-SVM）；closed-loop control

中图分类号：TM76

文献标识码：A

基金项目：国家自然科学基金（51507055）

作者简介：孙梅迪（1992-），女，硕士，Email：739326186@qq.com

收稿日期：2015-09-15