矩陣式單相電源調(diào)壓技術(shù)

3 簡化的矩陣式單相電源調(diào)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(qū)動(dòng)SB₁，將等寬的電源脈沖電壓施加到變壓器的原邊，同時(shí)利用上述PWM脈沖的補(bǔ)脈沖驅(qū)動(dòng)SB₂，實(shí)現(xiàn)變壓器的原邊電流續(xù)流。只要輸出濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)合理，就可以得到高正弦度的輸出電壓波形，開關(guān)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(shè)計(jì)難點(diǎn)在于雙向可控開關(guān)SB₁與SB₂之間的是否能夠安全切換。因?yàn)殚_關(guān)非理想特性，在二者之間換流時(shí)存在電源直通與變壓器原邊開路的可能性，而這兩點(diǎn)是不期望的。為此必須在二者切換時(shí)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(jù)電源電壓極性而確定的換流方式。根據(jù)電源電壓極性的不同將一個(gè)電源電壓周期劃分為兩個(gè)扇區(qū)，電源電壓正極性時(shí)定為扇區(qū)1，電源電壓負(fù)極性時(shí)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(nèi)開關(guān)動(dòng)作規(guī)則

（1）預(yù)備

開關(guān)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(guān)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(shí)→Q₁關(guān)斷，延時(shí)→Q₂開通，延時(shí)→Q₃關(guān)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(shí)→Q₂關(guān)斷，延時(shí)→Q₁開通，延時(shí)→Q₄關(guān)斷，工作狀態(tài)為供電。

2）扇區(qū)2內(nèi)開關(guān)動(dòng)作規(guī)則

（1）預(yù)備

開關(guān)狀態(tài)為Q₂、Q₄斷，Q₁、Q₃斷，工作狀態(tài)為等待。

（2）負(fù)半周供電狀態(tài)

按照期望開關(guān)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(shí)→Q₃關(guān)斷，延時(shí)→Q₄開通，延時(shí)→Q₁關(guān)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(shí)→Q₄關(guān)斷，延時(shí)→Q₃開通，延時(shí)→Q₂關(guān)斷，工作狀態(tài)為供電。

在每個(gè)扇區(qū)內(nèi)部，這種換流方式是安全的，只需要利用電壓傳感器準(zhǔn)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(dāng)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(diǎn)的檢測比較準(zhǔn)確可靠。扇區(qū)之間的切換不需要特別考慮，因?yàn)榍袚Q點(diǎn)只出現(xiàn)在電源電壓過零點(diǎn)，切換時(shí)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(guān)此時(shí)處于什么狀態(tài)，首先開通Q₂和Q₄，進(jìn)行續(xù)流，短暫延時(shí)后，再關(guān)閉Q₁和Q₃，然后再按照四步換流流程進(jìn)行即可。

4 仿真結(jié)果

采用PSPICE對(duì)采用四步換流方式的矩陣式單相電源調(diào)壓器進(jìn)行仿真，為增強(qiáng)效果，仿真電路在變壓器原邊增加了一個(gè)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(cè)濾波電容為2μF，濾波電感為2mH。負(fù)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(guān)頻率為10kHz，功率開關(guān)為IGBT。圖4、圖6、圖8與圖10為占空比100％、95％、50％與7.5％時(shí)變壓器輸出電壓與負(fù)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(shí)電源電壓與電流波形。仿真表明，開關(guān)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(duì)電網(wǎng)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(fù) 載 電 流 波 形(D=100％)