本發(fā)明涉及電力電子功率變換器拓?fù)浼罢{(diào)制領(lǐng)域，尤其是一種單相z源高頻鏈矩陣式逆變器的前級(jí)后級(jí)協(xié)同spwm調(diào)制方法。

背景技術(shù)：

逆變器是一種把直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能的拓?fù)溲b置。高頻鏈逆變器采用高頻變壓器替代工頻變壓器克服了傳統(tǒng)變壓器體積大、噪聲大、成本高等缺點(diǎn)。高頻鏈矩陣式逆變器的變換過(guò)程有dc/hfac/lfac三種功率特征?？芍祟惸孀兤髦谐霈F(xiàn)了dc/ac即直流/交流逆變環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)位于變壓器原邊，又出現(xiàn)了ac/ac即交流/交流變換環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)常稱為矩陣變換器環(huán)節(jié)，位于變壓器副邊。矩陣變換器與傳統(tǒng)變頻器相比，沒(méi)有中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，采用雙向開(kāi)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、效率高，且輸出電壓幅值和頻率可以獨(dú)立控制。

較低的電壓傳輸比一直是制約高頻鏈矩陣式逆變器實(shí)現(xiàn)大范圍推廣的技術(shù)難點(diǎn)。目前可以采用諧波注入法，能使其電壓傳輸比提高到1.0左右，但這會(huì)導(dǎo)致其輸出電壓中的諧波含量相應(yīng)增大。

然而，上述策略的電壓傳輸比的提高仍然無(wú)法滿足實(shí)際需要，同時(shí)較大的諧波會(huì)污染電網(wǎng)，以致影響了該類變換器的推廣使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種功率變換等級(jí)少、調(diào)制簡(jiǎn)單的單相z源高頻鏈矩陣式逆變器的前級(jí)后級(jí)協(xié)同spwm調(diào)制方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用了以下技術(shù)方案：本發(fā)明所述逆變器拓?fù)溆呻娫淳W(wǎng)絡(luò)、z源網(wǎng)絡(luò)、h橋單相逆變器、高頻變壓器、矩陣式變換器、lc型濾波器連接構(gòu)成；所述電源網(wǎng)絡(luò)由直流輸入電壓udc、二極管d1、可控開(kāi)關(guān)管q5、電容c3組成；z源網(wǎng)絡(luò)由電感l(wèi)1、電感l(wèi)2、電容c1、電容c2組成；h橋單相逆變器由可控開(kāi)關(guān)管q1、可控開(kāi)關(guān)管q2、可控開(kāi)關(guān)管q3、可控開(kāi)關(guān)管q4組成；矩陣變換器由可控開(kāi)關(guān)管sp1、可控開(kāi)關(guān)管sp2、可控開(kāi)關(guān)管sp3、可控開(kāi)關(guān)管sp4、可控開(kāi)關(guān)管sn1、可控開(kāi)關(guān)管sn2、可控開(kāi)關(guān)管sn3、可控開(kāi)關(guān)管sn4組成；lc型濾波器由電感l(wèi)f、電容cf和負(fù)載r組成；

直流輸入電壓udc的正極與二極管d1的陽(yáng)極相連，二極管d1的陰極分別與可控開(kāi)關(guān)管q5的發(fā)射極、電容c3的一端相連，可控開(kāi)關(guān)管q5的集電極分別與電感l(wèi)1的一端、電容c1的一端相連；電容c3的另一端分別與直流輸入電壓udc的負(fù)極、電感l(wèi)2的一端、電容c2的一端相連；電感l(wèi)1的另一端分別與電容c2的另一端、可控開(kāi)關(guān)管q1的集電極、可控開(kāi)關(guān)管q3的集電極相連；電感l(wèi)2的另一端分別與電容c1的另一端、可控開(kāi)關(guān)管q2的發(fā)射極、可控開(kāi)關(guān)管q4的發(fā)射極相連；可控開(kāi)關(guān)管q1的發(fā)射極與可控開(kāi)關(guān)管q2的集電極相連，相連后與高頻變壓器t原邊的一端相連；可控開(kāi)關(guān)管q3的發(fā)射極與可控開(kāi)關(guān)管q4的集電極相連，相連后與高頻變壓器t原邊的另一端相連；

高頻變壓器t副邊的一端分別與可控開(kāi)關(guān)管sp1的集電極、可控開(kāi)關(guān)管sp2的集電極相連；可控開(kāi)關(guān)管sp1的發(fā)射極與可控開(kāi)關(guān)管sn4的發(fā)射極相連，可控開(kāi)關(guān)管sn4的集電極分別與可控開(kāi)關(guān)管sp3的集電極、電感l(wèi)f的一端相連；可控開(kāi)關(guān)管sp3的發(fā)射極與可控開(kāi)關(guān)管sn2的發(fā)射極相連；可控開(kāi)關(guān)管sp2的發(fā)射極與可控開(kāi)關(guān)管sn3的發(fā)射極相連，可控開(kāi)關(guān)管sn3的集電極分別與可控開(kāi)關(guān)管sp4的集電極、電容cf的一端、負(fù)載r的一端相連，負(fù)載r的另一端分別與電感l(wèi)f的另一端、電容cf的另一端相連；可控開(kāi)關(guān)管sp4的發(fā)射極與可控開(kāi)關(guān)管sn1的發(fā)射極相連，高頻變壓器t副邊的另一端分別與可控開(kāi)關(guān)管sn2的集電極、可控開(kāi)關(guān)管sn1的集電極相連。

一種單相z源高頻鏈矩陣式逆變器拓?fù)涞那凹?jí)后級(jí)協(xié)同spwm調(diào)制方法，h橋單相逆變器采用升壓脈寬調(diào)制方法，所述可控開(kāi)關(guān)管q1、可控開(kāi)關(guān)管q4組成的橋臂和可控開(kāi)關(guān)管q2、可控開(kāi)關(guān)管q3組成的橋臂交替導(dǎo)通，使電路工作在逆變狀態(tài)；在一個(gè)逆變周期里，在可控開(kāi)關(guān)管q1、可控開(kāi)關(guān)管q2、可控開(kāi)關(guān)管q3、可控開(kāi)關(guān)管q4的驅(qū)動(dòng)中加入直通狀態(tài)信號(hào)，使高頻變壓器原邊電壓為正、負(fù)、零三態(tài)電壓，經(jīng)矩陣式變換器將上述高頻方波調(diào)制為spwm波，再經(jīng)lc濾波網(wǎng)絡(luò)濾波后輸出工頻正弦電壓。

進(jìn)一步的，可控開(kāi)關(guān)管q5的驅(qū)動(dòng)信號(hào)與單相h橋逆變器的直通狀態(tài)信號(hào)互差180度，解決了z源逆變器非升壓工作狀態(tài)的問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了能量的雙向流動(dòng)。

進(jìn)一步的，在單相h橋逆變器的調(diào)制信號(hào)中加入直通狀態(tài)信號(hào)，不需要增加前級(jí)變換電路便可實(shí)現(xiàn)升降壓功能。

進(jìn)一步的，高頻變壓器t后級(jí)的矩陣變換器采用解結(jié)耦控制，將矩陣變換器開(kāi)關(guān)管分解成正負(fù)兩組，即可控開(kāi)關(guān)管sp1～sp4和可控開(kāi)關(guān)管sn1～sn4，正組開(kāi)關(guān)管工作時(shí)負(fù)組開(kāi)關(guān)管全部開(kāi)通，而負(fù)組開(kāi)關(guān)管工作時(shí)正組全部開(kāi)通，后級(jí)矩陣變換器可以等效成兩組普通逆變器。

工作過(guò)程大致如下：

高頻鏈矩陣式逆變器引入z源網(wǎng)絡(luò)，采用升壓脈寬調(diào)制方法，在h橋單相逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)中加入直通狀態(tài)，使逆變器的輸出為電壓可升可降的工頻正弦交流電。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：在不需要增加前級(jí)變換電路的前提下就具有升降壓的功能，同時(shí)該拓補(bǔ)允許出現(xiàn)h橋單相逆變器橋臂直通的情況，消除了逆變器死區(qū)對(duì)輸出電壓波形畸變的影響。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明逆變器電路拓?fù)鋱D。

圖2為本發(fā)明方法的系統(tǒng)原理框圖。

圖3為升壓脈寬調(diào)制方法工作原理波形圖。

圖4為變壓器副邊矩陣變換器在解結(jié)耦spwm調(diào)制下的電路解耦原理圖。

圖5為單相z源高頻鏈矩陣式逆變器的升壓脈寬邏輯和解結(jié)耦邏輯處理電路。

圖6為本發(fā)明方法控制下的單相z源高頻鏈矩陣式逆變器一個(gè)高頻周期內(nèi)的6種模態(tài)電路圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明：

本發(fā)明所述單相z源高頻鏈矩陣式逆變器拓?fù)溆呻娫淳W(wǎng)絡(luò)、z源網(wǎng)絡(luò)、h橋單相逆變器、高頻變壓器、矩陣式變換器、lc型濾波器依次連接構(gòu)成；在h橋單相逆變器的前級(jí)引入z源網(wǎng)絡(luò)，直流輸入電壓udc首先經(jīng)過(guò)z源網(wǎng)絡(luò)，然后經(jīng)h橋單相逆變器調(diào)制成高頻方波，再經(jīng)過(guò)矩陣式變換器將高頻方波調(diào)制成spwm波，經(jīng)過(guò)lc濾波器得到工頻正弦波。

電源網(wǎng)絡(luò)由直流輸入電壓udc、二極管d1、可控開(kāi)關(guān)管q5、電容c3組成；z源網(wǎng)絡(luò)由電感l(wèi)1、l2、電容c1、c2組成；h橋單相逆變器由可控開(kāi)關(guān)管q1、可控開(kāi)關(guān)管q2、可控開(kāi)關(guān)管q3、可控開(kāi)關(guān)管q4組成；矩陣變換器由可控開(kāi)關(guān)管sp1、可控開(kāi)關(guān)管sp2、可控開(kāi)關(guān)管sp3、可控開(kāi)關(guān)管sp4、可控開(kāi)關(guān)管sn1、可控開(kāi)關(guān)管sn2、可控開(kāi)關(guān)管sn3、可控開(kāi)關(guān)管sn4組成；lc型濾波器由電感l(wèi)f、電容cf和負(fù)載r組成；

如圖1所示，直流輸入電壓udc的正極與二極管d1的陽(yáng)極相連，二極管的陰極分別與可控開(kāi)關(guān)管q5的發(fā)射極、電容c3的一端相連，可控開(kāi)關(guān)管q5的集電極分別與電感l(wèi)1的一端、電容c1的一端相連；電容c3的另一端分別于直流輸入電壓udc的負(fù)極、電感l(wèi)2的一端、電容c2的一端相連；電感l(wèi)1的另一端分別與電容c2的另一端、可控開(kāi)關(guān)管q1的集電極相連、可控開(kāi)關(guān)管q3的集電極相連；電感l(wèi)2的另一端分別與電容c1的另一端、可控開(kāi)關(guān)管q2的發(fā)射極、可控開(kāi)關(guān)管q4的發(fā)射極相連；可控開(kāi)關(guān)管q1的發(fā)射極與可控開(kāi)關(guān)管q2的集電極相連，它們都與高頻變壓器t原邊的一端相連；可控開(kāi)關(guān)管q3的發(fā)射極與可控開(kāi)關(guān)管q4的集電極相連，它們都與高頻變壓器t原邊的另一端相連；

高頻變壓器t副邊的一端分別與可控開(kāi)關(guān)管sp1的集電極、可控開(kāi)關(guān)管sp2的集電極相連，可控開(kāi)關(guān)管sp1的發(fā)射極與可控開(kāi)關(guān)管sn4的發(fā)射極相連，可控開(kāi)關(guān)管sn4的集電極分別與可控開(kāi)關(guān)管sp3的集電極、電感l(wèi)f的一端相連，可控開(kāi)關(guān)管sp3的發(fā)射極與可控開(kāi)關(guān)管sn2的發(fā)射極相連；可控開(kāi)關(guān)管sp2的發(fā)射極與可控開(kāi)關(guān)管sn3的發(fā)射極相連，可控開(kāi)關(guān)管sn3的集電極分別與可控開(kāi)關(guān)管sp4的集電極、電容cf的一端、負(fù)載r的一端相連，負(fù)載r的另一端與電感l(wèi)f的另一端、電容cf的另一端相連；可控開(kāi)關(guān)管sp4的發(fā)射極與可控開(kāi)關(guān)管sn1的發(fā)射極相連，高頻變壓器t副邊的另一端分別與可控開(kāi)關(guān)管sn2的集電極、可控開(kāi)關(guān)管sn1的集電極相連。

如圖2所示，本發(fā)明調(diào)制方法如下：

圖2中包括spwm及直通狀態(tài)信號(hào)發(fā)生環(huán)節(jié)、同步信號(hào)二分頻處理環(huán)節(jié)、升壓脈寬調(diào)制邏輯處理電路、解結(jié)耦spwm邏輯處理電路及被控對(duì)象單相h橋逆變器、可控開(kāi)關(guān)管q5和矩陣式變換器，其中經(jīng)同步信號(hào)二分頻處理的spwm信號(hào)和直通信號(hào)發(fā)生環(huán)節(jié)產(chǎn)生的方波信號(hào)，交由升壓脈寬調(diào)制邏輯處理電路進(jìn)行信號(hào)處理，所得信號(hào)控制單相h橋逆變器和可控開(kāi)關(guān)管q5。同時(shí)spwm信號(hào)發(fā)生環(huán)節(jié)經(jīng)解結(jié)耦spwm調(diào)制邏輯電路進(jìn)行處理，所得信號(hào)驅(qū)動(dòng)矩陣式逆變器。

圖3為簡(jiǎn)單升壓spwm調(diào)制方法工作原理波形圖。圖中ua為單相調(diào)制波，up是正數(shù)穩(wěn)定值，其值大于或者等于單相調(diào)制波的正峰值，un是負(fù)數(shù)穩(wěn)定值，其值小于或者等于單相調(diào)制波的負(fù)峰值，q1、q4和q2、q3為h橋單相逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，q5為可控開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由圖3可以看出，可控開(kāi)關(guān)管q1、q4和q2、q3使h橋單相逆變器存在橋臂直通的工作狀態(tài)，可控開(kāi)關(guān)管q5的驅(qū)動(dòng)信號(hào)與橋臂的直通信號(hào)互補(bǔ)。

圖4為變壓器副邊矩陣變換器在解結(jié)耦spwm調(diào)制下的電路解耦原理圖。該調(diào)制方法使矩陣變換器等效分解成兩個(gè)普通的逆變器。當(dāng)正弦工頻調(diào)制信號(hào)為正時(shí)，正組逆變器的sp2、sp3和負(fù)組逆變器sn2、sn3在高頻正負(fù)半周期內(nèi)分別處于關(guān)斷狀態(tài)，其余開(kāi)關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)工頻調(diào)制信號(hào)為負(fù)時(shí)，正組逆變器的sp1、sp4和負(fù)組逆變器的sn1、sn4在高頻正負(fù)半周期內(nèi)分別處于關(guān)斷狀態(tài)，其余開(kāi)關(guān)管均處于導(dǎo)通狀態(tài)。

圖5為單相z源高頻鏈矩陣式逆變器的簡(jiǎn)單升壓spwm邏輯和解結(jié)耦邏輯處理電路。spwma和spwmb為互補(bǔ)的單相spwm波，p為正穩(wěn)定值，v0為spwm載波信號(hào)的絕對(duì)值信號(hào)，p和v0經(jīng)過(guò)邏輯值比較得到k，將spwma與k進(jìn)行邏輯或運(yùn)算得到q1、q4，將spwmb與k進(jìn)行邏輯或運(yùn)算得到q2、q3，將q1與q2進(jìn)行邏輯與非運(yùn)算得到q5。spwm1、spwm2和spwm3、spwm4是兩對(duì)互補(bǔ)的單相spwm波，其與spwma、spwmb信號(hào)同步且調(diào)制頻率為spwma、spwmb調(diào)制頻率的兩倍，vp和vn是與spwma、spwmb同頻的互補(bǔ)高頻方波，將spwm1、spwm2和vp、vn進(jìn)行解結(jié)耦spwm邏輯變換得到矩陣式變換器開(kāi)關(guān)管sp1、sn4、sp3、sn2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將spwm3、spwm4和vp、vn進(jìn)行解結(jié)耦spwm邏輯變換得到矩陣式變換器開(kāi)關(guān)管sp2、sn3、sp4、sn1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖6為本發(fā)明方法控制下的單相z源高頻鏈矩陣式逆變器一個(gè)高頻周期內(nèi)的模態(tài)電路圖。圖6a～f分別為下述工作模態(tài)1～6。假定拓?fù)渲械乃性骷鶠槔硐朐骷?，根?jù)工作原理，在一個(gè)周期內(nèi)存在6個(gè)工作狀態(tài)，具體模態(tài)分析如下：

1)工作模態(tài)1[t0-t1]，t0時(shí)刻開(kāi)關(guān)管q5導(dǎo)通，電感l(wèi)1以il1-iin向電容c2充電，電感l(wèi)2以il2-iin向電容c1充電。直流電源向z網(wǎng)絡(luò)中儲(chǔ)能元件及h橋單相逆變器供電。開(kāi)關(guān)管q2、q3導(dǎo)通，變壓器原邊輸入電壓上負(fù)下正，矩陣式變換器負(fù)組開(kāi)關(guān)管sn2、sn3工作，正組開(kāi)關(guān)管全部導(dǎo)通。負(fù)載輸出電壓上負(fù)下正。如圖6a所示。

2)工作模態(tài)2[t1-t2]，t1時(shí)刻開(kāi)關(guān)管q5關(guān)斷，直流電源與逆變器和負(fù)載斷開(kāi)，電感電流不能突變，保持原方向不變，電容c1、c2分別向電感l(wèi)1、l2充電，并且通過(guò)q5的體二極管向電源側(cè)并聯(lián)電容c3充電，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。此時(shí)矩陣變換器保持模態(tài)1狀態(tài)不變，輸出電壓上負(fù)下正。如圖6b所示。

3)工作模態(tài)3[t2-t3]，t2時(shí)刻開(kāi)關(guān)管q5導(dǎo)通，電感l(wèi)1以il1-iin向電容c2充電，電感l(wèi)2以il2-iin向電容c1充電。直流電源向z網(wǎng)絡(luò)中儲(chǔ)能元件及h橋單相逆變器供電。開(kāi)關(guān)管q2、q3導(dǎo)通，變壓器原邊輸入電壓上負(fù)下正，矩陣式變換器負(fù)組開(kāi)關(guān)管sn2、sn3工作，正組開(kāi)關(guān)管全部導(dǎo)通。負(fù)載輸出電壓上負(fù)下正。如圖6c所示。

4)工作模態(tài)4[t3-t4]，t3時(shí)刻z源網(wǎng)絡(luò)保持不變，h橋單相逆變器開(kāi)關(guān)管q1、q4導(dǎo)通，變壓器原邊輸入電壓上正下負(fù)，矩陣式變換器正組開(kāi)關(guān)管sp1、sp4工作，負(fù)組開(kāi)關(guān)管全部導(dǎo)通。負(fù)載輸出電壓上正下負(fù)。如圖6d所示。

5)工作模態(tài)5[t4-t5]，t4時(shí)刻開(kāi)關(guān)管q5關(guān)斷，直流電源與逆變器和負(fù)載斷開(kāi)，電感電流不能突變，保持原方向不變，電容c1、c2分別向電感l(wèi)1、l2充電，并且通過(guò)q5的體二極管向電源側(cè)并聯(lián)電容c3充電，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。此時(shí)矩陣變換器保持模態(tài)4狀態(tài)不變，輸出電壓上正下負(fù)。如圖6e所示。

6)工作模態(tài)6[t5-t6]，t5時(shí)刻電路的工作模態(tài)恢復(fù)到模態(tài)4狀態(tài)。t6時(shí)刻進(jìn)入下一周期的工作。如圖6f所示。

由以上工作過(guò)程可以看出，單相z源高頻鏈矩陣式逆變器的工作狀態(tài)有兩種，即有源逆變狀態(tài)和直通狀態(tài)。能實(shí)現(xiàn)逆變器的升降壓功能，拓展了逆變器的應(yīng)用范圍。

以上所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)確定的保護(hù)范圍內(nèi)。