矩陣式單相電源調壓技術

3 簡化的矩陣式單相電源調壓器

簡化后的單相電源變換電路如圖2所示。其工作原理為：利用固定占空比的PWM脈沖波驅動SB₁，將等寬的電源脈沖電壓施加到變壓器的原邊，同時利用上述PWM脈沖的補脈沖驅動SB₂，實現變壓器的原邊電流續(xù)流。只要輸出濾波器參數設計合理，就可以得到高正弦度的輸出電壓波形，開關頻率越高效果越好。上述SB₁與SB₂之間的換流方式由一步完成，簡稱一步換流方式。

由圖2，這種變換器的設計難點在于雙向可控開關SB₁與SB₂之間的是否能夠安全切換。因為開關非理想特性，在二者之間換流時存在電源直通與變壓器原邊開路的可能性，而這兩點是不期望的。為此必須在二者切換時采取安全換流策略。

下面給出一種四步換流方式。這是一種根據電源電壓極性而確定的換流方式。根據電源電壓極性的不同將一個電源電壓周期劃分為兩個扇區(qū)，電源電壓正極性時定為扇區(qū)1，電源電壓負極性時定為扇區(qū)2。

圖2 簡 化 的 單 相 電 源 變 換 電 路

1）扇區(qū)1內開關動作規(guī)則

（1）預備

開關狀態(tài)為Q₂、Q₄斷，Q₁、Q₃斷，工作狀態(tài)為等待。

（2）正半周供電狀態(tài)

按照期望開關周期與占空比使Q₁、Q₃開通，Q₂、Q₄斷，工作狀態(tài)為供電。

（3）由供電狀態(tài)切換到續(xù)流狀態(tài)

Q₄開通，延時→Q₁關斷，延時→Q₂開通，延時→Q₃關斷，工作狀態(tài)為續(xù)流。

（4）由續(xù)流狀態(tài)切換到供電狀態(tài)

Q₃開通，延時→Q₂關斷，延時→Q₁開通，延時→Q₄關斷，工作狀態(tài)為供電。

2）扇區(qū)2內開關動作規(guī)則

（1）預備

開關狀態(tài)為Q₂、Q₄斷，Q₁、Q₃斷，工作狀態(tài)為等待。

（2）負半周供電狀態(tài)

按照期望開關周期與占空比使Q₁、Q₃開通，Q₂、Q₄斷，工作狀態(tài)為供電。

（3）由供電狀態(tài)切換到續(xù)流狀態(tài)

Q₂開通，延時→Q₃關斷，延時→Q₄開通，延時→Q₁關斷，工作狀態(tài)為續(xù)流。

（4）由續(xù)流狀態(tài)切換到供電狀態(tài)

Q₁開通，延時→Q₄關斷，延時→Q₃開通，延時→Q₂關斷，工作狀態(tài)為供電。

在每個扇區(qū)內部，這種換流方式是安全的，只需要利用電壓傳感器準確快速地檢測電源電壓極性來確定扇區(qū)，而不需要電流傳感器檢測變壓器原邊電流的極性。當然，傳感器要有良好的線性度、快速性和光電隔離，由于電源電壓很穩(wěn)定，其過零點的檢測比較準確可靠。扇區(qū)之間的切換不需要特別考慮，因為切換點只出現在電源電壓過零點，切換時只要保證變壓器的原邊續(xù)流有路徑即可。為此可以采取下述方法，即不論變壓器原邊電流與各開關此時處于什么狀態(tài)，首先開通Q₂和Q₄，進行續(xù)流，短暫延時后，再關閉Q₁和Q₃，然后再按照四步換流流程進行即可。

4 仿真結果

采用PSPICE對采用四步換流方式的矩陣式單相電源調壓器進行仿真，為增強效果，仿真電路在變壓器原邊增加了一個濾波器，其中電感為1mH，電容為1μF。變壓器原邊電感為100mH，原邊電阻為2Ω，副邊為100mH，電壓變比為1。電源側濾波電容為2μF，濾波電感為2mH。負載電阻R_o=5Ω，輸出濾波電容C_o=10μF，輸出濾波電感L_o=20mH。電源為單相工頻交流電源，開關頻率為10kHz，功率開關為IGBT。圖4、圖6、圖8與圖10為占空比100％、95％、50％與7.5％時變壓器輸出電壓與負載電流波形，圖3、圖5、圖7與圖9為占空比100％、95％、50％與7.5％時電源電壓與電流波形。仿真表明，開關頻率越高，輸出電壓與電流波形正弦度越好；占空比越大，輸出電壓幅值越高；輸入電流波形的正弦度很高，對電網幾乎無諧波電流污染。

圖3 電 源 電 壓 與 電 流 波 形(D=100％)

圖4 變 壓 器 輸 出 電 壓 與 負 載 電 流 波 形(D=100％)