一种移相型三相高频链矩阵式逆变器拓扑结构及调制方法技术

本发明专利技术公开了一种移相型三相高频链矩阵式逆变器拓扑结构及调制方法，所述移相型三相高频链矩阵式逆变器拓扑由全桥逆变器、变压器T、矩阵变换器、LC型滤波器依次连接构成；该拓扑结构通过引入两只钳位二极管和谐振电感来抑制电压振荡和电压尖峰；所采用的单极性移相控制策略与传统意义上的移相控制的区别在于单极性移相控制策略的移相角是不断变化的，变压器后级的矩阵式变换器可以解耦成两个普通电压型逆变器进行控制，在解结耦单极性移相调制方法下，可以实现拓扑中所有可控开关管的零电压开关，可减小开关管损耗，提高变换器的效率。本发明专利技术具有功率变换等级少、控制方法简单、电路稳定性高等优点。

A Phase-shifted Three-phase High Frequency Chain Matrix Inverter Topology and Modulation Method

The invention discloses a phase-shifted three-phase high-frequency chain matrix inverters topology structure and modulation method, the phase-shifted three-phase high-frequency chain matrix inverters topology is composed of full-bridge inverters, transformers T, matrix converters, LC-type filters in turn; the topology structure is adopted to suppress voltage oscillation and voltage spikes by introducing two clamping diodes and resonant inductors; The difference between the unipolar phase-shifting control strategy and the traditional phase-shifting control strategy is that the phase-shifting angle of the unipolar phase-shifting control strategy is constantly changing. The matrix converter of the latter stage of the transformer can be decoupled into two common voltage-source inverters for control. Under the decoupled unipolar phase-shifting modulation method, the zero-voltage switching of all controllable switches in the topology can be realized, which can be subtracted. The small switch loss improves the efficiency of the converter. The invention has the advantages of low power conversion level, simple control method and high circuit stability.

【技术实现步骤摘要】
一种移相型三相高频链矩阵式逆变器拓扑结构及调制方法
本专利技术涉及电力电子功率变换器拓扑及调制领域，尤其是一种移相型三相高频链矩阵式逆变器拓扑结构及调制方法。
技术介绍
逆变器是一种把直流电能转换成交流电能的拓扑装置。高频链逆变器采用变压器替代工频变压器克服了传统变压器体积大、噪声大、成本高等缺点。高频链矩阵式逆变器的变换过程有DC/HFAC/LFAC三种功率特征，其中，HFAC：高频交流，LFAC：低频交流。可知此类逆变器中出现了DC/AC即直流/交流逆变环节，该环节位于变压器原边，又出现了AC/AC即交流/交流变换环节，该环节也常称为矩阵变换器环节，位于变压器副边。矩阵变换器与传统变换器相比，没有中间储能环节，采用双向开关，可以实现能量的双向流动，结构紧凑、体积小、效率高，且输出电压幅值和频率可以独立控制。由于变压器漏感的存在，高频链矩阵式逆变器换流时，在变压器副边矩阵变换器的功率管上产生较大的电压过冲，因此变压器副边矩阵变换器的安全换流一直是制约高频链逆变器实现大范围推广的技术难点。目前主要有以下几种安全换流策略：①通过加入有源箝位来抑制电压过冲，可以实现软开关，但引入的箝位电路增加了成本，增加的可控功率管也使控制更为复杂；②单极性和双极性移相控制策略借助矩阵变换器的换流重叠实现了电感电流的自然换流，并且实现了功率管的ZVS，但存在换流重叠时间不易控制等问题；③在前级逆变器引入串联谐振电路来实现功率管的软换流，此时要求功率管切换发生在零电流时刻，且控制输出能量需要判断谐振电路谐振工作状态，使得控制方式复杂。然而，上述策略虽然能够实现安全换流，但造成逆变器的调制和控制更为复杂，导致系统可靠性降低以致影响了该类变换器的推广使用。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种移相型三相高频链矩阵式逆变器拓扑结构及调制方法。本专利技术功率变换等级少、调制简单，并与电压型解结耦相结合实现单极性前级移相调制方法。为实现上述目的，本专利技术是根据以下技术方案实现的：本专利技术的一种移相型三相高频链矩阵式逆变器拓扑结构，其特征在于，包括全桥逆变器、变压器T、矩阵变换器、LC型滤波器，各部件依次连接构成；其中，所述全桥逆变器由直流输入电压Ui、可控开关管S1、可控开关管S2、可控开关管S3、可控开关管S4、二极管DC1、二极管DC2、电感Lr组成；所述矩阵变换器由可控开关管S1a、可控开关管S4b、可控开关管S4a、可控开关管S1b、可控开关管S3a、可控开关管S6b、可控开关管S6a、可控开关管S3b、可控开关管S5a、可控开关管S2b、可控开关管S2a、可控开关管S5b组成；所述LC型滤波器由第一电感Lf1、第二电感Lf2、第三电感Lf3、第一电容Cf1、第二电容Cf2、第三电容Cf3、负载R1、负载R2、负载R3组成；所述直流输入电压Ui的正极分别与可控开关管S1的集电极、二极管DC1的正极、可控开关管S3的集电极相连，所述直流输入电压Ui的负极分别与可控开关管S2的发射极、二极管DC2的负极、可控开关管S4的发射极相连；可控开关管S1的发射极分别与电感Lr的一端、可控开关管S2的集电极相连；可控开关管S3的发射极分别与变压器T原边一端、可控开关管S4的集电极相连，电感Lr的另一端分别与二极管DC1的负极、二极管DC2的正极、变压器T原边的另一端相连；变压器T副边的一端分别与可控开关管S1a的集电极、可控开关管S3a的集电极、可控开关管S5a的集电极相连，变压器T副边的另一端分别与可控开关管S1b的集电极、可控开关管S3b的集电极、可控开关管S5b的集电极相连；可控开关管S1a的发射极与可控开关管S4b的发射极相连，可控开关管S3a的发射极与可控开关管S6b的发射极相连，可控开关管S5a的发射极与可控开关管S2b的发射极相连；可控开关管S1b的发射极与可控开关管S4a的发射极相连，可控开关管S3b的发射极与可控开关管S6a的发射极相连，可控开关管S5b的发射极与可控开关管S2a的发射极相连；可控开关管S4a的集电极与可控开关管S4b的集电极相连后与第一电感Lf1一端相连，第一电感Lf1另一端与第一电容Cf1一端、负载R1一端相连，负载R1另一端分别与负载R2、负载R3相连；第一电容Cf1另一端分别与第二电容Cf2、第三电容Cf3、负载R1、负载R2、负载R3相连；可控开关管S6a的集电极与可控开关管S6b的集电极相连后与第二电感Lf2一端相连，第二电感Lf2另一端与第二电容Cf2、负载R2一端相连，负载R2另一端分别与负载R1、负载R3相连；第二电容Cf2另一端分别与第一电容Cf1、第三电容Cf3、负载R1、负载R2、负载R3相连；可控开关管S2a的集电极与可控开关管S2b的集电极相连后与第三电感Lf3一端相连，第三电感Lf3另一端与第三电容Cf3、负载R3一端相连，负载R3另一端分别与负载R1、负载R2相连；第三电容Cf3另一端分别与第一电容Cf1、第二电容Cf2、负载R1、负载R2、负载R3相连。本专利技术提出的一种根据上述移相型三相高频链矩阵式逆变器拓扑结构调制的调制方法，其特征在于：移相型矩阵式逆变器采用占空比变化的PWM控制，所述可控开关管S1、可控开关管S4组成的桥臂和可控开关管S2、可控开关管S3组成的桥臂交替导通；串联谐振电感实现开关管的零电压开关；变压器T的原边与两个钳位二极管相连端的电压被钳位二极管钳位在0与Ui之间；变压器T后级的矩阵变换器等效为两组普通的电压型逆变器进行解结耦控制，依据电压型解结耦逻辑调制电路对可控开关管S1a～可控开关管S6a、可控开关管S1b～可控开关管S6b进行控制，将变压器T输出的高频谐振电流转换低频脉动电流。进一步地，采用占空比中的单极性移相控制的θ角是不断变化的，在调制度为m的情况下，其中o<m<1，变化范围为2(1-m)180°<θ<180°；在一个开关周期Ts时间内，开关管S1与S4、S2与S3的共同导通时间为：Tcom＝Ts(180°-θ)/360°。进一步地，变压器T后级的矩阵变换器采用电压型解结耦控制，将矩阵变换器开关管分解成正负两组，即可控开关管S1a∽S6a和可控开关管S1b∽S6b，正组开关管工作时负组开关管全部导通，而负组开关管工作时正组全部导通，后级矩阵变换器等效成两组普通电流型逆变器。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点：本专利技术的谐振电感的应用使变压器原边功率开关管实现零电压开关，引入两只钳位二极管可以抑制变压器副边开关管的电压振荡和电压尖峰，这样减少了因打断变压器漏感与滤波电感电流的流通路径会在开关管两端产生的很高的电压尖峰，以及抑制因变压器漏感与开关管的寄生电容发生串联谐振，使得开关的损耗降低，提高了电路可靠性和效率。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。图1为本专利技术逆变器电路拓扑结构示意图；图2为本专利技术一个高频周期内逆变器工作状态原理波形图；图3为变压器副边矩阵变换器在电压型解结耦原理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种移相型三相高频链矩阵式逆变器拓扑结构，其特征在于，包括全桥逆变器、变压器T、矩阵变换器、LC型滤波器，各部件依次连接构成；其中，所述全桥逆变器由直流输入电压Ui、可控开关管S1、可控开关管S2、可控开关管S3、可控开关管S4、二极管DC1、二极管DC2、电感Lr组成；所述矩阵变换器由可控开关管S1a、可控开关管S4b、可控开关管S4a、可控开关管S1b、可控开关管S3a、可控开关管S6b、可控开关管S6a、可控开关管S3b、可控开关管S5a、可控开关管S2b、可控开关管S2a、可控开关管S5b组成；所述LC型滤波器由第一电感Lf1、第二电感Lf2、第三电感Lf3、第一电容Cf1、第二电容Cf2、第三电容Cf3、负载R1、负载R2、负载R3组成；所述直流输入电压Ui的正极分别与可控开关管S1的集电极、二极管DC1的正极、可控开关管S3的集电极相连，所述直流输入电压Ui的负极分别与可控开关管S2的发射极、二极管DC2的负极、可控开关管S4的发射极相连；可控开关管S1的发射极分别与电感Lr的一端、可控开关管S2的集电极相连；可控开关管S3的发射极分别与变压器T原边一端、可控开关管S4的集电极相连，电感Lr的另一端分别与二极管DC1的负极、二极管DC2的正极、变压器T原边的另一端相连；变压器T副边的一端分别与可控开关管S1a的集电极、可控开关管S3a的集电极、可控开关管S5a的集电极相连，变压器T副边的另一端分别与可控开关管S1b的集电极、可控开关管S3b的集电极、可控开关管S5b的集电极相连；可控开关管S1a的发射极与可控开关管S4b的发射极相连，可控开关管S3a的发射极与可控开关管S6b的发射极相连，可控开关管S5a的发射极与可控开关管S2b的发射极相连；可控开关管S1b的发射极与可控开关管S4a的发射极相连，可控开关管S3b的发射极与可控开关管S6a的发射极相连，可控开关管S5b的发射极与可控开关管S2a的发射极相连；可控开关管S4a的集电极与可控开关管S4b的集电极相连后与第一电感Lf1一端相连，第一电感Lf1另一端与第一电容Cf1一端、负载R1一端相连，负载R1另一端分别与负载R2、负载R3相连；第一电容Cf1另一端分别与第二电容Cf2、第三电容Cf3、负载R1、负载R2、负载R3相连；可控开关管S6a的集电极与可控开关管S6b的集电极相连后与第二电感Lf2一端相连，第二电感Lf2另一端与第二电容Cf2、负载R2一端相连，负载R2另一端分别与负载R1、负载R3相连；第二电容Cf2另一端分别与第一电容Cf1、第三电容Cf3、负载R1、负载R2、负载R3相连；可控开关管S2a的集电极与可控开关管S2b的集电极相连后与第三电感Lf3一端相连，第三电感Lf3另一端与第三电容Cf3、负载R3一端相连，负载R3另一端分别与负载R1、负载R2相连；第三电容Cf3另一端分别与第一电容Cf1、第二电容Cf2、负载R1、负载R2、负载R3相连。...

【技术特征摘要】
1.一种移相型三相高频链矩阵式逆变器拓扑结构，其特征在于，包括全桥逆变器、变压器T、矩阵变换器、LC型滤波器，各部件依次连接构成；其中，所述全桥逆变器由直流输入电压Ui、可控开关管S1、可控开关管S2、可控开关管S3、可控开关管S4、二极管DC1、二极管DC2、电感Lr组成；所述矩阵变换器由可控开关管S1a、可控开关管S4b、可控开关管S4a、可控开关管S1b、可控开关管S3a、可控开关管S6b、可控开关管S6a、可控开关管S3b、可控开关管S5a、可控开关管S2b、可控开关管S2a、可控开关管S5b组成；所述LC型滤波器由第一电感Lf1、第二电感Lf2、第三电感Lf3、第一电容Cf1、第二电容Cf2、第三电容Cf3、负载R1、负载R2、负载R3组成；所述直流输入电压Ui的正极分别与可控开关管S1的集电极、二极管DC1的正极、可控开关管S3的集电极相连，所述直流输入电压Ui的负极分别与可控开关管S2的发射极、二极管DC2的负极、可控开关管S4的发射极相连；可控开关管S1的发射极分别与电感Lr的一端、可控开关管S2的集电极相连；可控开关管S3的发射极分别与变压器T原边一端、可控开关管S4的集电极相连，电感Lr的另一端分别与二极管DC1的负极、二极管DC2的正极、变压器T原边的另一端相连；变压器T副边的一端分别与可控开关管S1a的集电极、可控开关管S3a的集电极、可控开关管S5a的集电极相连，变压器T副边的另一端分别与可控开关管S1b的集电极、可控开关管S3b的集电极、可控开关管S5b的集电极相连；可控开关管S1a的发射极与可控开关管S4b的发射极相连，可控开关管S3a的发射极与可控开关管S6b的发射极相连，可控开关管S5a的发射极与可控开关管S2b的发射极相连；可控开关管S1b的发射极与可控开关管S4a的发射极相连，可控开关管S3b的发射极与可控开关管S6a的发射极相连，可控开关管S5b的发射极与可控开关管S2a的发射极相连；可控开关管S4a的集电极与可控开关管S4b的集电极相连后与第一电感Lf1一端相连，第一电感Lf1另一端与第一电容Cf1一端、负载R1一端相连，负载R1另一端分别与负载R2、负载...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫朝阳，宋雪微，郝伟杰，赵丁选，刘爽，徐春博，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北,13