基於DSP器件和PLD邏輯器件實現矩陣變換器系統的設計

基於DSP器件和PLD邏輯器件實現矩陣變換器系統的設計

王勇,呂徵宇,汪槱 發表於 2020-12-03 09:58:36

1 引言

矩陣式變換器是一種具有優良的輸入輸出特性的新型交—交變換器。它允許頻率單級變換，無需大容量的貯能元件如大電容，可使輸入電流正弦，輸入功率因數達到0.99以上，並可自由調節，且與負載的功率因數無關，輸出電壓正弦，輸出頻率及電壓可調，輸出頻率可高於、低於輸入頻率，特別是其功率可雙向流動，具有四象限運行能力。本文在矩陣變換器的空間矢量控制基礎上，給出了一種基與DSP＋PLD的方案，實驗證明此方案可以提高高頻大電流下換流的可靠性，簡化了控制系統。

2 矩陣式變換器的空間矢量調製

一個用於實現交—交變換的矩陣式變換器如圖1所示。它可以用一個虛擬的整流器和一個虛擬的逆變器構成的等效交—直—交結構來代替，如圖2所示。採用這樣的等效結構可以充分利用已有成熟的交—直—交變換中的PWM控制技術，並 可 通 過 開 關 函 數 分 析 出 實 際 矩 陣 式 變 換 器 的 開 關 控 制 規 律 。

分 析 圖1和 圖 2時 ， 首 先 要 定 義 開 關 函 數 。

圖1 矩陣變換器結構

圖2 等效交—直—交結構

對於圖2的等效交—直—交結構，j∈{a，b，c，A，B，C，}，k∈{P，N}。按照輸入電壓不能被短路，輸出電路不能突然開路的原則，虛擬整流器同一直流母線P或N上的開關必須有一個且只能有一個處於導通狀態，即

Sak＋Sbk＋Sck=1，k∈{P，N} （1）

而虛擬逆變器同一輸出相A，B或C上必須有一個而且只能有一個開關導通，即

SjP＋SjN=1，j∈{A，B，C，} （2）

對於圖1的矩陣式變換器實際結構，j∈{A，B，C，}，k∈{a，b，c}。按照輸入電壓不能被短路，輸出電路不能突然開路的原則，每一輸出相只能連至且必須連至一個輸入相，開關函數須滿足

Sja＋Sjb＋Sjc=1，j∈{A，B，C，} （3）

能滿足式（3）的開關組合共有27種，但有6種在等效交—直—交結構中找不到對應的開關組合，所以共有21種有效的開關組合和矢量，見表1。

經過推導可得到等效交—直—交結構和矩陣變換器的開關函數關係為

Sjk=SjPSkP＋SjNSkN， j∈{A，B，C，}，k∈{a，b，c} （4）

限定條件為

1≤SGm＋SJn＋SKI≤2 （5）

式中：G，J，K∈{A，B，C，}，m，n，1∈{a，b，c}，且G≠J≠K，m≠n≠1。

根據式（4）可以得到矩陣變換器21種有效開關組合形成的矢量與等效交—直—交結構6個輸入相電流矢量和6個輸出線電壓矢量的對應關係，見圖3和表1，從而由等效交—直—交結構的雙空間矢量調製策略得到矩陣變換器的交—交直接變換空間矢量調製策略。

圖3 輸入相電流和輸出線電壓的矢量圖

在等效交—直—交結構中，逆變器部分的理想輸出線電壓基準矢量圓和整流器部分的理想輸入相電流基準矢量圓都被劃分為6個扇區，從而有36種可能的扇區組合，以虛擬整流器、逆變器均工作在第I扇區為例，可以用於矢量合成的空間電流，電壓矢量分別是I6，I1和U6，U1，兩個空間矢量的綜合調製採用相互嵌套的辦法來實現。整個輸入相電流和輸出線電壓矢量合成過程共有I6－U6，I6－U1，I1－U6，I1－U1及零矢量I0－U05種組合。每一矢量組合的作用時間用佔空比表示時是該組合內各矢量佔空比的乘積。即

I6－U6：

Dxα=Dx·Dα=msin（60°－θi）sin（60°－θv） （6）

I6—U1：

Dxβ=Dx·Dβ=msin（60°－θi）sinθv （7）

I1－U6：

Dyα=Dy·Dα=msinθisin（60°－θv） （8）

I1－U1：

Dyβ=Dy·Dβ=msinθisinθv （9）

I0－U0：

D0=1－Dxα－Dxβ－Dyα－Dyβ （10）

式中：θi是輸入相電流的相角；

θv是輸出線電壓的相角。

以上計算出佔空比後，再通過開關函數找到相對應的真實的矩陣變換器的矢量和開關組合。開關組合的選擇步驟、原則如下：假設輸出線電壓矢量和輸入相電流都位於第1扇區，則根據圖3得到合成和的固定矢量U1，U6，I1，I6，並得到對應的矩陣變換器的8個矢量1P，3P，4P，6P，1N，3N，4N，6N，再按照獲得最大電壓傳輸比和單位功率因數的原則從上述8個矢量中選出4個矢量。要獲得單位功率因數，則要使輸入相電壓和輸入相電流相角差為0，注意到輸入線電壓矢量超前輸入相電流30°，則輸入線電壓矢量可能位於第1扇區或第2扇區，所以，輸入線電壓的最大值為Uab和－Uca，則在上述8個矢量中需要選擇4個矢量使輸出線電壓UOAB等於Uab或－Uca，選出的4個矢量為1P，3N，4N，6P，4個矢量按照開關次數最少的原則確定開關順序為1P，3N，4N，6P，加上零矢量，5個矢量的佔空比由式（6），（7），（8），（9），（10）確定。輸出線電壓矢量和輸入相電流共有36種扇區組合，則對應矩陣變換的36種矢量調製開關組合。

3 安全換流策略

本系統採用共集電極的反向串聯IGBT組合開關組成雙向功率開關，根據輸入電壓不能被短路，輸出電路不能突然開路的條件，安全切換要求同一相輸出的任意兩組開關不能同時導通，三組開關不能同時斷開。由於器件的開通時間，關斷時間，及驅動電路的時延都有差異，不能做到嚴格的同時切換。為了解決這個問題，N．Burany提出了著名的四象限開關多步切換控制法，其換流過程可用圖4及圖5所示一相輸出電路來說明。以由a輸入相換流到b輸入相為例，當負載電流iL》0時，第1步關斷負導通部分SlN，第2步開通S2P，第3步關斷S1P，第4步開通S2N，以此完成兩個雙向開關的成功換流，既禁止了可能使電源發生短路的開關組合，又保證了在任意時刻給負載提供至少一條流通路徑。

圖4 一相輸出電路示意圖

圖5 4步換流策略驅動信號示意圖

4 控制系統設計及實驗結果

圖6是以DSP為控制核心的矩陣變換器系統框圖，DSP檢測輸入相電壓的扇區，得到期望的輸出線電壓扇區後，通過空間矢量調製策略，DSP送出6路驅動信號及保護信號到PLD，四步換流，驅動等邏輯由模塊內部邏輯器件PLD完成，PLD送出18路驅動信號到主電路的18個分立開關。

圖6 矩陣變換器實驗系統框圖

波形如圖7，8，9，採樣頻率為10kHz，調製比M=0.866，輸入濾波器參數：L=30mH，C=15μF。

圖7 輸入相電壓ua波形與輸入相電流ia波形

圖8 輸出線電壓uL與輸出線電流iL波形

（a） 輸入相電流

（b） 輸出線電壓

圖9 FET分析

5 結語

以DSP＋PLD構成的矩陣變換器控制系統結構簡單，系統接線少，控制電路與軟體簡單，很好地解決了矩陣變換器的關鍵問題——安全換流，大大提高了高頻大電流下順序換流的可靠性，系統可靠性得到提高，為矩陣變換器向大功率，數位化發展和工業應用奠定了基礎。

責任編輯：gt

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