本發明專利技術公開了一種具有直流穩壓輸出功能的雙級式三相四橋臂矩陣變換器。其中直流變換部分可以基于雙管正激電路、雙管反激電路或全橋變換電路進行衍變，并采用矩陣變換器的中線橋臂功能復用的策略。控制方式采用直直變換電路與矩陣變換器同步配合控制。三相四線制交流輸出部分可為不平衡或非線性負載提供穩定的三相電源，同時直流輸出部分為直流負載提供隔離的直流電壓源。該新型拓撲整體結構緊湊，電路利用率高，而且其控制方式維持了輸入電流的高度正弦性和整流級的零電流開關條件，交流和直流輸出相互之間無影響，具有較高的應用價值。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及ー種矩陣變換器，特別是面向獨立供電系統應用場合的具有直流穩壓輸出功能的雙級式三相四橋臂矩陣變換器新型拓撲。
技術介紹
矩陣變換器(MC)不含儲能電容，具有結構緊湊、體積重量小、穩定性好、使用壽命長等優點，能夠在惡劣的自然環境下堅持工作。雙級式矩陣變換器是基于矩陣變換器的概念發展而來的ー種新型拓撲，繼承了傳統MC不含儲能電容的優點，同時克服了輸出側無續流回路，換流困難，需要箝位電路等諸多缺點，具有更高的應用價值。 在雙級式矩陣變換器(TSMC)的基礎之上，增加中線橋臂，可為負載中的零序電流提供流通回路，在非平衡和非線性負載下，提供穩定平衡的三相電壓，非常適合獨立供電系統的應用需求。因此，雙級式三相四橋臂矩陣變換器(3X4TSMC)可為偏遠地區或海島等不宜架設傳統輸電線路或架設成本過高的地區提供因地制宜的獨立三相交流電源系統；可為樓宇、廠房等重要設施提供應急電源；也可為飛機、電カ機車等交通工具提供穩定的三相交流電源；還可為軍用裝甲車輛等提供戰場移動電源。尤其在航空和軍用領域，發電系統往往處于高熱、高壓的環境條件下，3X4TSMC不含有傳統交直交變換器中的儲能元件，因此適應性更強。然而，在某些獨立電源系統中，如飛機供電系統，既有交流負載，又有數量可觀的直流負載。由于TSMC的整流環節沒有儲能電容以形成高壓直流母線，因此若獨立供電系統采用TSMC作為主要的功率變換器，則還需要配備一系列的AC/DC、DC/DC等輔助變換器，設備繁多，控制復雜，造成資源浪費和不穩定因素的増加。因此，研究ー種具有直流輸出功能的3 X 4TSMC拓撲結構，具有重要的實用價值和研究意義。目前已有的幾種具有直流輸出功能的矩陣變換器拓撲，均出于為交流電機的勵磁電路供電的目的而提出，不具備獨立供電系統中直流穩壓輸出的能力。專利[I]利用箝位電路的直流環節，進行斬波控制，為電機勵磁電路供電，流經箝位電路的電流不在MC輸入電流的控制范圍內，削弱了 MC對其輸入電流波形的改善能力；專利[2]在MC的基礎上，增加第四橋臂用于勵磁控制，一定程度上減少了勵磁電流對MC輸入電流畸變的影響，但需要額外增加6個開關管。專利[I]與[2]均針對傳統MC提出，不適用于TSMC。專利[3]利用TSMC的直流環節作為直流調壓電路的輸入電壓，但其三相三線制的輸出結構帶不平衡負載運行的能力不足，而且H橋與MC相互獨立的控制方式，影響了整流級電路實現零電流開關(ZCS)的條件，即不能保證整流級開關切換的時刻直流母線電流為零。本專利技術克服了以往電路拓撲的缺點，將中線橋臂與直流變換電路相結合，提出了一系列新型的具有直流輸出功能的3X4TSMC拓撲結構。參考文獻[I]仇紅奎，周波，張紹.具有直流勵磁功能的交流電機矩陣式控制器[2]姜田貴，周波，史明明，毛怡然.具有勵磁功能的三相四橋臂矩陣變換器[3]史明明，周波，魏佳丹，李全春，毛怡然.具有直流勵磁調節和電壓頻率變換的雙級式矩陣變換器
技術實現思路
本專利技術針對現有技術存在的不足，提出ー種新型的具有直流輸出功能的3X4TSMC拓撲結構。這種新型拓撲不僅可以提供三相四線制輸出的交流電源，而且可以同時提供隔離的直流穩壓電源。本專利技術采用如下技術方案ー種具有直流輸出功能的雙級式三相四橋臂矩陣變換器，包括三相橋式結構，三相四橋臂輸出電路(2)和雙管正激電路以及不含儲能電容的直流環節，雙管正激電路包括第一正激支路和第二正激支路；其中三相橋式結構、三相四橋臂輸出電路和第一支路均并 聯于直流環節；三相四橋臂輸出電路的中線橋臂與雙管正激電路的第二支路為同一個橋臂，三相四橋臂輸出電路為不平衡或非線性三相負載提供三相平衡電壓，雙管正激電路為直流負載提供直流電壓。所述雙管正激電路可用雙管反激電路或全橋變換電路等隔離型的直直變換電路取代，構成不同型式的具有直流輸出功能的三相四橋臂矩陣變換器。TSMC的逆變級為三相四橋臂輸出結構，采用基于載波調制的控制方式，并通過優化使得中線橋臂的占空比波動范圍不超過O. 4 O. 6，以此中線橋臂作為直流變換電路的ー個支路。該直流變換電路可以基于雙管正激、雙管反激或全橋變換電路進行衍變，而獲得不同型式的拓撲。以雙管正激電路為例，在3X4TSMC的直流環節上増加ー個帶反并聯ニ極管的IGBT和一個快恢復續流ニ極管組成的橋臂，輔以適當的變壓器和副邊電路，構成完整的雙管正激變換電路。該雙管正激電路的占空比變換范圍應限制在O O. 4之間，其控制方法也必須與3X4TSMC的控制過程相互配合。本專利技術除了具有上述直流輸出的功能以夕卜，還具有以下顯著的特點1)3X4TSMC的中線橋臂既為負載電流的零序分量提供流通回路，又為雙管正激電路提供電流。實現了功能復用，提高了電路利用率。2)采用雙管正激電路實現了直流輸出電路與交流輸出電路的電氣隔離。通過變壓器降壓，減少了 3X4TSMC直流環節電壓波動對副邊的影響。3)通過正激電路與3X4TSMC相互配合的控制方式，可以確保在整流級開關狀態切換之前，直流母線電流為零，整流級仍然能夠實現ZCS。4)合理設計雙管正激電路在不同的整流級開關狀態下的占空比公式，可使輸入電流保持較高的波形質量，正弦度高，THD小。5)直流負載的突變對交流輸出電路的輸出性能無影響，反之亦然。6)將雙管正激電路替換為其他隔離型的直直變換器，上述結論不變。附圖說明圖I基于不同直直變換器，具有直流輸出功能的3X4TSMC的拓撲結構(a)雙管正激；(b)雙管反激；(C)全橋變換；圖2 —般雙管正激電路的拓撲結構示意圖；圖3基于中線橋臂功能復用的雙管正激變換器等效電路。具體實施例方式下面對本專利技術的新型拓撲和控制方式作進ー步闡述。I.拓撲結構圖I所示為本專利技術所提出的新型拓撲結構圖，根據其功能的不同，可分為相互獨立又緊密聯系的三個部分。I)整流級電路 整流級是由6個雙向開關Spa，Spb, Spc，Snc, Snb和Snc組成的三相整流電路，雙向開關則由兩個帶反并聯ニ極管的IGBT器件共發射極(E)連接構成。整流級電路的作用是將輸入的三相交流電整為直流。由于沒有任何儲能電容，整流后的電壓呈斬波狀態。2)三相四橋臂逆變電路逆變級電路采用三相四橋臂結構，由6個IGBT器件SAp，SAn，SBp，SBn，Scp和Scn構成普通的三相橋臂，另外兩個IGBT器件Snp和SNn構成中線橋臂。3)直流變換電路直流變換電路可以采用雙管正激、雙管反激或全橋變換電路等不同的隔離型直直變換電路，從而構成一系列具有直流輸出功能的三相四橋臂矩陣變換器拓撲，如圖1(a)是基于雙管正激電路衍變的拓撲，(b)是基于雙管反激，而(C)是基于全橋變換電路的。下面僅就雙管正激具體闡述拓撲的構成方式和控制原理。一般的雙管正激變換器的原邊主功率電路由兩個IGBT和兩個續流ニ極管構成，如圖2所示。本專利技術利用逆變部分電路中線橋臂的上管Snp和下管反并聯的ニ極管DNn和作為雙管正激電路的一個支路，増加IGBT器件Sf和續流ニ極管Df作為另ー支路與直流環節相連。適當設計隔離變壓器和副邊濾波電路，構成完整的雙管正激變換電路，簡化后的拓撲結構如圖3所示。2.控制方式本專利技術的電路結構中，直流變換電路與逆變級電路共用同一個橋臂，這兩部分的控制過程必須嚴密配合，才能得到穩定的直本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種具有直流輸出功能的雙級式三相四橋臂矩陣變換器，其特征在于包括三相橋式結構(1)，三相四橋臂輸出電路(2)和雙管正激電路(3)以及不含儲能電容的直流環節，雙管正激電路(3)包括第一正激支路(4)和第二正激支路(5)；其中三相橋式結構(1)、三相四橋臂輸出電路(2)和第一支路(4)均并聯于直流環節；三相四橋臂輸出電路(2)的中線橋臂(5)與雙管正激電路的第二支路(5)為同一個橋臂，三相四橋臂輸出電路(2)為不平衡或非線性三相負載提供三相平衡電壓，雙管正激電路(3)為直流負載提供直流電壓。
【技術特征摘要】
1.一種具有直流輸出功能的雙級式三相四橋臂矩陣變換器，其特征在于包括三相橋式結構(1)，三相四橋臂輸出電路⑵和雙管正激電路(3)以及不含儲能電容的直流環節，雙管正激電路(3)包括第一正激支路(4)和第二正激支路(5);其中三相橋式結構(I)、三相四橋臂輸出電路⑵和第一支路⑷均并聯于直流環節；三相四橋臂輸出電路⑵的中線橋臂(5)與雙管正激電路的第二支路(...
【專利技術屬性】
技術研發人員：秦顯慧，周波，黃海濤，史明明，劉曉宇，毛怡然，
申請(專利權)人：南京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：
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