CN102195491A - 一种降低矩阵变换器开关损耗的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种降低矩阵变换器开关损耗的方法，在任一双边调制周期中，通过对每个输出相连接各个输入相次序的调整，使得每个输出相总是根据输入电压瞬时值大小，按照低压→中压→高压→中压→低压依次连接3个输入相电压，同时相应调整连接各个输入相的作用时间，从而保证整个调制周期内的开关损耗达到最小。本发明在不改变各个输出相连接3个输入相作用时间的前提下，只对其调制顺序进行前后调整，方法简单易行，同时较大地降低了矩阵变换器运行时的开关损耗。

Description

一种降低矩阵变换器开关损耗的方法

技术领域

本发明涉及一种降低矩阵变换器的开关损耗的方法。

背景技术

三相矩阵变换器由9个双向功率开关按照3×3开关矩阵形式组合而成，如图1所示。其中S_ij(i＝a，b，c；j＝A，B，C)表示一个双向功率开关，每个双向功率开关由两个具有反并联二极管的绝缘栅极双级晶体管(IGBT)采用“共发射极”结构构成，也可以由两个反并联的逆阻型IGBT采用“共发射极”结构构成。矩阵变换器的输入侧为三相电网电压，分别用u_a，u_b，u_c表示，在矩阵变换器和电网之间接有输入滤波器。矩阵变换器的输出侧分别用A，B，C表示，通常接交流电机或者感性负载设备。通过对9个双向功率开关通断控制，可以实现幅值和频率均可变化的输出电压。

9个双向功率开关通断变化可以产生27种开关状态，通常用3个一组的字母表示。如：abb，表示矩阵变换器的输出A相通过双向功率开关S_aA与输入a相连接，输出B相通过双向功率开关S_bB与输入b相连接，输出C相通过双向功率开关S_bC与输入b相连接。27个开关状态对应产生24个有效矢量开关状态和3个零矢量开关状态。

根据空间矢量调制法的基本原理，由输入电流矢量区间和期望输出电压矢量区间，可以确定每个调制周期中的4个有效矢量开关状态、3个零矢量开关状态以及相对应的作用时间T₁、T₂、T₃、T₄、T₀₁、T₀₂、T₀₃，进而控制9个双向功率开关的导通和关断，实现对矩阵变换器的控制。其中，4个有效矢量开关状态的调制顺序按照开关切换次数最少来安排；而3个零矢量的选择和调制顺序可以根据消除窄脉冲的原则来安排。具体消除窄脉冲的原则可以参见林桦等人于2009年申请的专利(申请号200910063082.3)“一种减小矩阵变换器窄脉冲现象的空间矢量调制方法”，该方法不属于本发明的范围。

矩阵变换器的输出电压矢量区间和输入电流矢量区间的划分如图2所示。以输出电压矢量和输入电流矢量均在1区间为例，采用双边调制时的调制顺序为：bbb-abb-aab-aaa-aac-acc-ccc-acc-aac-aaa-aab-abb-bbb，如图3a所示。7种开关状态的作用时间之和为调制周期T_s，它们将整个T_s纵向切割。而当矩阵变换器在每个调制周期T_s内进行开关状态切换时，对于每一个输出相来说，均是按照一定的规律按时段依次连接不同的输入相电压。从每个输出相上看，输出每相连接到输入三相的顺序均为u_b→u_a→u_c→u_a→u_b，只是每个输出相连接输入相的时间各不相同，这些时间为各个输出相从横向观察的作用时间，T_aA、T_bA、T_cA、T_aB、T_bB、T_cB、T_aC、T_bC、T_cC，共计9个，如图3b所示。

由于输出电压在输入电压之间选择、切换，不可避免的会带来开关损耗。半导体开关器件在开通和关断过程中其集电极电压、电流的升降过程是十分复杂的，在分析中通常近似地认为按照线性规律变化。通常IGBT的开通和关断损耗为其通态电流和断态c-e极端电压乘积的函数。在硬开关模式下，单管单次开通损耗能量E_on和关断损耗能量E_off分别为：

E_on＝U_{ce_off}I_ont_on/2

E_off＝U_{ce_off}I_ont_off/2

上式中，U_{ce_off}分别为IGBT处于断态时的电压，I_on为IGBT处于通态时的电流，t_on和t_off分别为开通和关断时间。

在同一输出电流情况下，IGBT断态c-e极端电压越小，引起的开关损耗就越小。在输入电流矢量1区间内，输出三相电压均按照u_b→u_a→u_c→u_a→u_b的调制顺序切换，而这时的三相输入电压总是满足u_a＞u_b、u_a＞u_c的条件，在任一输出电压上均会产生低(中)压→高压→中(低)压→高压→低(中)压的调制顺序，这种顺序中高压低压之间的切换电压差最大，开关损耗也最大，其中也包括一些不必要的开关损耗。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供一种降低矩阵变换器开关损耗的控制方法，该控制方法可以有效地降低矩阵变换器的开关损耗，提高其变换效率。

技术方案：本发明所述的降低矩阵变换器开关损耗的方法，在任一双边调制周期中，通过对每个输出相连接各个输入相次序的调整，使得每个输出相总是根据输入电压瞬时值大小，按照低压→中压→高压→中压→低压的顺序依次连接3个输入相电压，从而保证整个调制周期内的开关损耗达到最小。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：本发明在已知确定了传统的调制顺序以及对应的导通时间后，对调制顺序以及对应的导通时间进行调整，采用低压→中压→高压→中压→低压的调制顺序，使得输出电压始终在较小的输入电压之间切换，避免了高压

低压的调制顺序，大大降低了***的开关损耗。本发明不需要增加额外的硬件电路和控制，只需要调整各个输出相的调制顺序，方法简单易行。

附图说明

图1为三相矩阵变换器的拓扑结构图。

图2为输出电压矢量区间和输入电流矢量区间的划分图。

图3为传统空间矢量双边调制时的输出相电压波形。

图4为本发明实施方法的流程。

图5为r，s，t和输入a，b，c相的对应关系，U，V，W和输出A，B，C相的对应关系。

图6为调整调制顺序前后的波形对比图。

图7为采用本发明提供实例的实施示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：一种降低矩阵变换器开关损耗的方法，在任一双边调制周期中，调整每个输出相连接各个输入相的次序，使得每个输出相总是根据输入电压瞬时值大小，按照低压→中压→高压→中压→低压的顺序依次连接3个输入相电压，从而保证整个调制周期内的开关损耗达到最小。本发明方法使得输出电压始终在较小的输入电压之间切换，其目的是避免高压

低压的调制顺序，合理降低***的开关损耗。

如图4所示，该方法的具体实现步骤包括：

(1)根据传统的空间矢量调制原理和优化开关次数、消除窄脉冲的原则，确定每个调制周期T_s内4个有效矢量的开关状态和3个零矢量开关状态，并计算和合理配置7个开关状态对应的作用时间T₁、T₂、T₃、T₄、T₀₁、T₀₂、T₀₃，同时保证T₁+T₂+T₃+T₄+T₀₁+T₀₂+T₀₃＝T_s；

(2)依据7个开关状态以及对应的作用时间计算该调制周期内每个输出相分别连接3个输入相的作用时间，当输出相为3相时，应得到共计9个作用时间；

以输出电压矢量区间和输入电流矢量区间均在1区间为例。产生的4个有效矢量的开关状态和3个零矢量开关状态分别为abb、aab、aac、acc、bbb、aaa、ccc，对应的作用时间为T₁、T₂、T₃、T₄、T₀₁、T₀₂、T₀₃，图3a为其三相输出波形图。由上述状态和时间，参照图3a、图3b的对应关系，可以算出每个输出相分别连接3个输入相的作用时间，共计9个如下：

T_bA＝T₀₁，T_aA＝T₁+T₂+T₀₂+T₃+T₄，T_cA＝T₀₃；

T_bB＝T₀₁+T₁，T_aB＝T₂+T₀₂+T₃，T_cA＝T₄+T₀₃；

T_bC＝T₀₁+T₁+T₂，T_aB＝T₀₂，T_cA＝T₃+T₄+T₀₃。

将上述时间关系推广到不同的输入电压矢量区间和输入电流矢量区间组合情况，可得如下式计算9个作用时间：

T_rU＝T₀₁，T_sU＝T₁+T₂+T₀₂+T₃+T₄，T_tU＝T₀₃；

T_rV＝T₀₁+T₁，T_sV＝T₂+T₀₂+T₃，T_tV＝T₄+T₀₃；

T_rW＝T₀₁+T₁+T₂，T_sW＝T₀₂，T_tW＝T₃+T₄+T₀₃。

在不同的输入电压矢量区间和输入电流矢量区间情况下，9个作用时间和7个矢量状态作用时间之间的对应关系不同，上式中r，s，t和输入三相电压a，b，c的对应关系、U，V，W和输出三相电压A，B，C的对应关系如图5所示。

(3)检测比较3相输入电压的瞬时值大小，确定输入电压中的低压、中压、高压；

(4)各个输出相采用低压→中压→高压→中压→低压的调制顺序，依次连接3个输入相，同时相应调整连接各个输入相的作用时间，这些作用时间应按照步骤(2)求得；

同样以输出电压矢量区间和输入电流矢量区间均在1区间为例。按照传统的空间矢量调制方式和步骤(2)，可得各个输出相均采用u_b→u_a→u_c→u_a→u_b调制顺序，其对应的作用时间顺序为：

输出A相  T_bA/2→T_aA/2→T_cA→T_aA/2→T_bA/2；

输出B相  T_bB/2→T_aB/2→T_cB→T_aB/2→T_bB/2；

输出C相  T_bC/2→T_aC/2→T_cCj→T_aC/2→T_bC/2。

假设步骤(3)检测的输入电压大小关系为u_b＜u_c＜u_a，采用步骤(4)中低压→中压→高压→中压→低压的调制顺序，应将各个输出相的调制顺序调整为u_b→u_c→u_a→u_c→u_b，其对应的作用时间顺序也改为：

输出A相  T_bA/2→T_cA/2→T_aA→T_cA/2→T_bA/2；

输出B相  T_bB/2→T_cB/2→T_aB→T_cB/2→T_bB/2；

输出C相  T_bC/2→T_cC/2→T_aC→T_cC/2→T_bC/2。

调整前后的输出电压波形如图6所示。推广到一般情况，在不同的输入电压矢量区间和输入电流矢量区间下，各个输出相的调制顺序应调整为u_x→u_y→u_z→u_y→u_x，其中u_x＜u_y＜u_z，x，y，z∈a，b，c，x≠y≠z。其对应的作用时间顺序调整为：

输出A相  T_xA/2→T_yA/2→T_zA→T_yA/2→T_xA/2；

输出B相  T_xB/2→T_yB/2→T_zB→T_yB/2→T_xB/2；

输出C相  T_xC/2→T_yC/2→T_zC→T_yC/2→T_xC/2。

(5)根据调整后每个输出相连接各个输入相的次序以及作用时间安排各个双向功率开关的导通和关断，实现换流控制。

上述调整调制方法的实施如图7所示，其中步骤(1)和(2)由数字信号处理器DSP TMS320F28335实现，控制程序用C语言编写，步骤(3)～(5)由现场可编程门阵列FPGAEP2C8T144C8实现，其中步骤(5)换流控制电路控制程序为已有技术。

本发明可以较大程度地降低矩阵变换器的开关损耗。以输出电压矢量区间和输入电流矢量区间均在1区间，且负载电流I_on＞0为例。原先某输出相调制过程为

其中u_b＜u_c＜u_a，则四次换流前后的断态压差分别为u_ab和u_ac。由于输出相在输入相之间换流各会产生两次开通和关断操作，故该输出相在单个调制周期内的开关损耗能量为：

E_SVM1＝E_b→a(on)+E_a→c(off)+E_c→a(on)+E_a→b(off)

$=\frac{u_{\mathrm{ab}}{I}_{\mathrm{on}}(t_{\mathrm{on}}+t_{\mathrm{off}})}{2}+\frac{u_{\mathrm{ac}}{I}_{\mathrm{on}}(t_{\mathrm{on}}+t_{\mathrm{off}})}{2}<u_{\mathrm{ab}}{I}_{\mathrm{on}}(t_{\mathrm{on}}+t_{\mathrm{off}})$

调整调制顺序后，调制过程变为

两次换流前后的断态压差分别为u_cb和u_ac。这时该输出相在单个调制周期内的开关损耗能量为：

E_SVM2＝E_b→c(on)+E_c→a(on)+E_a→c(off)+E_c→b(off)

$=\frac{u_{\mathrm{cb}}{I}_{\mathrm{on}}(t_{\mathrm{on}}+t_{\mathrm{off}})}{2}+\frac{u_{\mathrm{ac}}{I}_{\mathrm{on}}(t_{\mathrm{of}}+t_{\mathrm{off}})}{2}$

$=\frac{u_{\mathrm{ab}}{I}_{\mathrm{on}}(t_{\mathrm{on}}+t_{\mathrm{off}})}{2}$

感性负载在单个调制周期内输出电流I_on保持不变，而u_ac＜u_ab，因此调整后的顺序可以至多降低一半的损耗。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (2)

1.一种降低矩阵变换器开关损耗的方法，其特征在于：在任一双边调制周期中，调整每个输出相连接各个输入相的次序，使得每个输出相总是根据输入电压瞬时值大小，按照低压→中压→高压→中压→低压的顺序依次连接3个输入相电压，从而保证整个调制周期内的开关损耗达到最小。

2.根据权利要求1所述的降低矩阵变换器开关损耗的方法，其特征在于，该方法的具体实现步骤包括：

(1)根据传统的空间矢量调制原理和优化开关次数、消除窄脉冲的原则，确定每个调制周期T_s内4个有效矢量的开关状态和3个零矢量开关状态，并计算和合理配置7个开关状态对应的作用时间T₁、T₂、T₃、T₄、T₀₁、T₀₂、T₀₃，同时保证T₁+T₂+T₃+T₄+T₀₁+T₀₂+T₀₃＝T_s；

(2)依据7个开关状态以及对应的作用时间计算该调制周期内每个输出相分别连接3个输入相的作用时间，当输出相为3相时，应得到共计9个作用时间；

(3)检测比较3相输入电压的瞬时值大小，确定输入电压中的低压、中压、高压；

(4)各个输出相采用低压→中压→高压→中压→低压的调制顺序，依次连接3个输入相，同时相应调整连接各个输入相的作用时间，这些作用时间应按照步骤(2)求得；

(5)根据调整后每个输出相连接各个输入相的次序以及作用时间安排各个双向功率开关的导通和关断，实现换流控制。

Images