本發(fā)明涉及電力電子功率變換器拓?fù)浼罢{(diào)制領(lǐng)域，尤其是一種三相四橋臂高頻鏈矩陣式整流器電路拓?fù)浼罢{(diào)制方法。

背景技術(shù)：

整流器是一種把交流電能轉(zhuǎn)換成直流電能的拓?fù)溲b置。高頻鏈整流技術(shù)與常規(guī)整流技術(shù)的最大不同在于其利用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)能量傳遞及輸入與輸出的電器隔離，從而減小了變壓器的體積和重量，降低了成本，提高了電能利用率，改善了整流器的工作特性。

高頻鏈矩陣式整流器在矩陣變換器拓?fù)涞幕A(chǔ)上加入了高頻變壓器和后級(jí)橋式整流電路，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)，恒定的直流電壓輸出和交流電流正弦化，能量可雙向流動(dòng)，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高頻化、輕量化，并且具有pwm整流器的優(yōu)點(diǎn)，即解決了采用二極管的不控整流和采用晶閘管的相控整流所造成的電網(wǎng)無功和諧波污染。

目前，電壓型三相高頻鏈矩陣式整流器具有可輸出正負(fù)電壓，高功率密度，減小輸入電流諧波含量等優(yōu)點(diǎn)，在電壓型三相高頻鏈矩陣式整流器拓?fù)浠A(chǔ)上，引入第四橋臂可構(gòu)成三相四橋臂高頻鏈矩陣式整流器拓?fù)?。豐富了三相電壓型高頻鏈矩陣式整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但當(dāng)三相輸入電源不平衡時(shí)，3p3w(three-phasethree-wire)系統(tǒng)由于自身電路拓?fù)錈o法給輸入不平衡電流提供零序電流通路，為了抑制輸入電流的畸變度和保證系統(tǒng)功率因數(shù)通常需要增加額外控制策略以滿足整流器性能要求，因此，選擇合適的控制方法，可以使三相四橋臂高頻鏈矩陣式整流器具有比三相三橋臂高頻鏈矩陣式整流器更優(yōu)良的工作性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種當(dāng)三相輸入電源不平衡時(shí)控制靈活且工作性能優(yōu)良的三相四橋臂高頻鏈矩陣式整流器拓?fù)浼罢{(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)明所述整流器拓?fù)溆扇嚯娋W(wǎng)電壓、采樣電阻、輸入濾波器、三相四橋臂矩陣變換器、高頻變壓器t、二極管橋式不控整流電路、輸出濾波器c以及負(fù)載r連接構(gòu)成；

三相電網(wǎng)電壓ea的正極與采樣電阻rs1相連；三相電網(wǎng)電壓eb的正極與采樣電阻rs2相連；三相電網(wǎng)電壓ec的正極與采樣電阻rs3相連；采樣電阻rs1與輸入濾波器la的一端相連；采樣電阻rs2與輸入濾波器lb的一端相連；采樣電阻rs3與輸入濾波器lc的一端相連；輸入濾波器la的另一端與可控開關(guān)管snua的集電極、可控開關(guān)管spda的集電極相連；輸入濾波器lb的另一端與可控開關(guān)管snub的集電極、可控開關(guān)管spdb的集電極相連；輸入濾波器lc的另一端與可控開關(guān)管snuc的集電極、可控開關(guān)管spdc的集電極相連；三相電網(wǎng)電壓ea、eb、ec的負(fù)極均與可控開關(guān)管snud的集電極、可控開關(guān)管spdd的集電極相連；可控開關(guān)管snua的發(fā)射極與可控開關(guān)管spua的發(fā)射極相連，可控開關(guān)管spua的集電極與高頻變壓器t原邊的一端相連；可控開關(guān)管spda的發(fā)射極與可控開關(guān)管snda的發(fā)射極相連，可控開關(guān)管snda的集電極與高頻變壓器t原邊的另一端相連；可控開關(guān)管snub的發(fā)射極與可控開關(guān)管spub的發(fā)射極相連，可控開關(guān)管spub的集電極與高頻變壓器t原邊的一端相連；可控開關(guān)管spdb的發(fā)射極與可控開關(guān)管sndb的發(fā)射極相連，可控開關(guān)管sndb的集電極與高頻變壓器t原邊的另一端相連；可控開關(guān)管snuc的發(fā)射極與可控開關(guān)管spuc的發(fā)射極相連，可控開關(guān)管spuc的集電極與高頻變壓器t原邊的一端相連；可控開關(guān)管spdc的發(fā)射極與可控開關(guān)管sndc的發(fā)射極相連，可控開關(guān)管sndc的集電極與高頻變壓器t原邊的另一端相連；可控開關(guān)管snud的發(fā)射極與可控開關(guān)管spud的發(fā)射極相連，可控開關(guān)管spud的集電極與高頻變壓器t原邊的一端相連；可控開關(guān)管spdd的發(fā)射極與可控開關(guān)管sndd的發(fā)射極相連，可控開關(guān)管sndd的集電極與高頻變壓器t原邊的另一端相連；高頻變壓器t副邊的一端分別與二極管d1的陽極和二極管d2的陰極相連，高頻變壓器t副邊的另一端分別于二極管d3的陽極和二極管d4的陰極相連；二極管d1的陰極與二極管d3的陰極相連后分別與輸出濾波器c的一端和負(fù)載r的一端相連，二極管d2的陽極與二極管d4的陽極相連后分別與輸出濾波器c的另一端和負(fù)載r的另一端相連。

本發(fā)明所述一種三相四橋臂高頻鏈矩陣式整流器拓?fù)涞慕饨Y(jié)耦sapwm調(diào)制方法，將解結(jié)耦思想與三次諧波注入法的sapwm控制策略相結(jié)合，“解結(jié)耦”包括“解耦”和“結(jié)耦”兩部分內(nèi)容；解耦即分解雙向可控開關(guān)電路為單相可控開關(guān)電路，將三相四橋臂高頻鏈矩陣式整流器解耦成正負(fù)兩組普通的三相四橋臂pwm整流器；結(jié)耦即通過邏輯組合和變換生成“解耦”電路中各開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖；sapwm調(diào)制即鞍型脈寬調(diào)制，通過零軸注入與sapwm調(diào)制波中諧波分量近似的三角波諧波來生成sapwm調(diào)制波而實(shí)現(xiàn)；三相sapwm調(diào)制波與高頻方波進(jìn)行邏輯合成，分別驅(qū)動(dòng)前三橋臂的可控開關(guān)管；第四橋臂直接由3次諧波作為其調(diào)制信號(hào)。

工作過程如下：

三相電網(wǎng)電壓經(jīng)過輸入濾波器l，濾除交流側(cè)電流中的高次諧波成分，使網(wǎng)側(cè)電流正弦化，接著經(jīng)過四橋臂矩陣變換器，得到正負(fù)交替的高頻交流電壓信號(hào)，進(jìn)而通過高頻變壓器t進(jìn)行電氣隔離，最后通過不控整流橋以及輸出濾波電容將高頻交流電壓轉(zhuǎn)變成恒定的直流電壓。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：在電路拓?fù)浞矫?，通過引入第四橋臂，在電網(wǎng)電壓不平衡工況下使高頻鏈矩陣式整流器的性能更加優(yōu)良，輸出電壓更加穩(wěn)定。在控制策略方面，通過解結(jié)耦sapwm調(diào)制方法的使用，直流母線電壓利用率得到提升，有助于降低元器件耐壓等級(jí)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)，降低了輸入電流低次諧波的含量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明三相四橋臂高頻鏈矩陣式整流器電路拓?fù)鋱D。

圖2為交錯(cuò)并聯(lián)型雙buck-boost變換器拓?fù)鋱D。

圖3為本發(fā)明中三次諧波電流生成以及sapwm調(diào)制波實(shí)現(xiàn)電路示意圖。

圖4為三相四橋臂高頻鏈矩陣式整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)結(jié)耦邏輯圖。

圖5為三相四橋臂高頻鏈矩陣式整流器在高頻周期內(nèi)的驅(qū)動(dòng)波形圖。

圖6為本發(fā)明方法控制下的三相四橋臂高頻鏈矩陣式整流器的正組變換器一個(gè)高頻周期內(nèi)的模態(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)一步說明：

本發(fā)明所述三相四橋臂高頻鏈矩陣式整流器拓?fù)溆扇嚯娋W(wǎng)電壓，采樣電阻rs，輸入濾波器l，三相四橋臂矩陣變換器，高頻變壓器t，二極管橋式不控整流電路、輸出濾波器c以及負(fù)載r依次連接構(gòu)成。變壓器前級(jí)三相四橋臂矩陣式變換器產(chǎn)生高頻交流電壓信號(hào)，由高頻變壓器耦合到變壓器副邊，經(jīng)變壓器副邊不控整流橋進(jìn)行整流，再經(jīng)過輸出濾波電容c得到恒定的直流電壓。

三相四橋臂矩陣變換器由可控開關(guān)管spua、可控開關(guān)管snua、可控開關(guān)管spda、可控開關(guān)管snda、可控開關(guān)管spub、可控開關(guān)管snub、可控開關(guān)管spdb、可控開關(guān)管sndb、可控開關(guān)管spuc、可控開關(guān)管snuc、可控開關(guān)管spdc、可控開關(guān)管sndc、可控開關(guān)管spud、可控開關(guān)管snud、可控開關(guān)管spdd、可控開關(guān)管sndd組成；二極管橋式不控整流電路由二極管d1、二極管d2、二極管d3、二極管d4組成。

如圖1所示，三三相電網(wǎng)電壓ea的正極與采樣電阻rs1相連；三相電網(wǎng)電壓eb的正極與采樣電阻rs2相連；三相電網(wǎng)電壓ec的正極與采樣電阻rs3相連；采樣電阻rs1與輸入濾波器la的一端相連；采樣電阻rs2與輸入濾波器lb的一端相連；采樣電阻rs3與輸入濾波器lc的一端相連；輸入濾波器la的另一端與可控開關(guān)管snua的集電極、可控開關(guān)管spda的集電極相連；輸入濾波器lb的另一端與可控開關(guān)管snub的集電極、可控開關(guān)管spdb的集電極相連；輸入濾波器lc的另一端與可控開關(guān)管snuc的集電極、可控開關(guān)管spdc的集電極相連；三相電網(wǎng)電壓ea、eb、ec的負(fù)極均與可控開關(guān)管snud的集電極、可控開關(guān)管spdd的集電極相連；可控開關(guān)管snua的發(fā)射極與可控開關(guān)管spua的發(fā)射極相連，可控開關(guān)管spua的集電極與高頻變壓器t原邊的一端相連；可控開關(guān)管spda的發(fā)射極與可控開關(guān)管snda的發(fā)射極相連，可控開關(guān)管snda的集電極與高頻變壓器t原邊的另一端相連；可控開關(guān)管snub的發(fā)射極與可控開關(guān)管spub的發(fā)射極相連，可控開關(guān)管spub的集電極與高頻變壓器t原邊的一端相連；可控開關(guān)管spdb的發(fā)射極與可控開關(guān)管sndb的發(fā)射極相連，可控開關(guān)管sndb的集電極與高頻變壓器t原邊的另一端相連；可控開關(guān)管snuc的發(fā)射極與可控開關(guān)管spuc的發(fā)射極相連，可控開關(guān)管spuc的集電極與高頻變壓器t原邊的一端相連；可控開關(guān)管spdc的發(fā)射極與可控開關(guān)管sndc的發(fā)射極相連，可控開關(guān)管sndc的集電極與高頻變壓器t原邊的另一端相連；可控開關(guān)管snud的發(fā)射極與可控開關(guān)管spud的發(fā)射極相連，可控開關(guān)管spud的集電極與高頻變壓器t原邊的一端相連；可控開關(guān)管spdd的發(fā)射極與可控開關(guān)管sndd的發(fā)射極相連，可控開關(guān)管sndd的集電極與高頻變壓器t原邊的另一端相連；高頻變壓器t副邊的一端分別與二極管d1的陽極和二極管d2的陰極相連，高頻變壓器t副邊的另一端分別于二極管d3的陽極和二極管d4的陰極相連；二極管d1的陰極與二極管d3的陰極相連后分別與輸出濾波器c的一端和負(fù)載r的一端相連，二極管d2的陽極與二極管d4的陽極相連后分別與輸出濾波器c的另一端和負(fù)載r的另一端相連。

圖2為三相四橋臂高頻鏈矩陣式整流器解耦拓?fù)?。三相電網(wǎng)電壓，輸入濾波器與單向可控開關(guān)組(spua、spub、spuc、spud、spda、spdb、spdc和spdd)以及高頻變壓器，二極管橋式不控整流電路，輸出濾波器和負(fù)載構(gòu)成正組三相四橋臂高頻鏈整流器的主電路。同理另一單向可控開關(guān)組(snua、snub、snuc、snud、snda、sndb、sndc和sndd)所在部分構(gòu)成了負(fù)組三相四橋臂高頻鏈整流器的主電路。根據(jù)解耦思想，正組三相四橋臂高頻鏈整流器工作時(shí)，負(fù)組整流器可控開關(guān)管處于全通狀態(tài)，同理，負(fù)組三相四橋臂高頻鏈整流器工作時(shí)，正組整流器可控開關(guān)管處于全通狀態(tài)。正負(fù)兩組三相四橋臂整流器交替進(jìn)行工作，從而在高頻變壓器原邊形成了正負(fù)交替的高頻信號(hào)，再經(jīng)后級(jí)的橋式整流電路實(shí)現(xiàn)三相四橋臂高頻鏈矩陣式整流器的直流輸出。

如圖3所示，本發(fā)明中三次諧波電流生成以及sapwm調(diào)制波實(shí)現(xiàn)電路如下：

三次諧波注入可以由圖3所示的電路實(shí)現(xiàn)。首先將三相輸入正弦電流采樣rs1ila、rs2ilb、rs3ilc通過相互比較獲得最大值和最小值，然后將所獲得的兩個(gè)極值相疊加并乘以增益系數(shù)-0.5獲得對(duì)應(yīng)輸入三相正線電流采樣的三次諧波電流信號(hào)，接著將該三次諧波電流信號(hào)與三相輸入正弦電流采樣相疊加即可獲得對(duì)應(yīng)各相sapwm調(diào)制波，再將三相調(diào)制波與載波交截，得到脈沖sa2、sa1、sb2、sb1、sc2、sc1、sd2、sd1，其中sa2、sa1為三相四橋臂整流器中第一橋臂中上開關(guān)管和下開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這些驅(qū)動(dòng)信號(hào)將與高頻方波進(jìn)行“結(jié)耦”邏輯處理，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)各個(gè)橋臂上的可控開關(guān)管。

圖4為三相四橋臂高頻鏈矩陣式整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)結(jié)耦邏輯圖。圖中引入兩個(gè)互補(bǔ)的高頻方波信號(hào)vp和vn來與整流器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行“結(jié)耦”邏輯處理，進(jìn)而得到新的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)矩陣變換器雙向開關(guān)管的控制。其中si1、si2(i＝a,b,c,d)分別為三相四橋臂整流器同一橋臂中上開關(guān)管和下開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，spji(j＝u,d；i＝a,b,c,d)和snji(j＝u,d；i＝a,b,c,d)分別為圖2中經(jīng)“解耦”后的正組和反組三相四橋臂整流器中的單相開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，正組變換器的開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)spji(j＝u,d；i＝a,b,c,d)由vn與普通三相四橋臂整流器的兩路互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)信號(hào)si1、si2(i＝a,b,c,d)進(jìn)行或邏輯合成得到；負(fù)組變換器的開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)snji(j＝u,d；i＝a,b,c,d)由vp與普通三相四橋臂整流器的兩路互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)信號(hào)si1、si2(i＝a,b,c,d)進(jìn)行或邏輯合成得到。

圖5為三相四橋臂高頻鏈矩陣式整流器在高頻周期內(nèi)的驅(qū)動(dòng)波形圖。由三相四橋臂高頻鏈矩陣式整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的結(jié)耦邏輯得到在高頻周期內(nèi)的驅(qū)動(dòng)波形。由解耦邏輯得正組變換器工作時(shí)，負(fù)組變換器的開關(guān)管處于全通狀態(tài)，故圖中只畫出了正組變換器的開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)spji(j＝u,d；i＝a,b,c,d)的波形。

圖6為本發(fā)明方法控制下的三相四橋臂高頻鏈矩陣式整流器的正組變換器一個(gè)高頻周期內(nèi)的模態(tài)電路圖。由于正組變換器工作時(shí)，負(fù)組變換器的開關(guān)管處于全通狀態(tài)，故圖6中只畫出了一個(gè)周期內(nèi)正組變換器工作時(shí)的工作模態(tài)，圖6(a)～(h)分別為下述工作模態(tài)1～8。

定義矩陣變換器a、b、c、d四個(gè)橋臂的開關(guān)函數(shù)為：當(dāng)正組整流器上橋臂開通時(shí)用1表示，關(guān)斷時(shí)用0表示。假定拓?fù)渲械乃性骷鶠槔硐朐骷?，根?jù)工作原理，在一個(gè)高頻周期內(nèi)存在8個(gè)工作狀態(tài)，具體模態(tài)分析如下：

1)如圖6(a)所示，工作模態(tài)1[t0-t1]，t0時(shí)刻正組變換器工作，負(fù)組變換器的開關(guān)管處于全通狀態(tài)。在此之前負(fù)組變換器工作，正組變換器的開關(guān)管處于全通狀態(tài)。該時(shí)段內(nèi)，正組三相四橋臂整流器上橋臂的開關(guān)管開關(guān)狀態(tài)為(1,1,1,1)，即上橋臂均處于開通狀態(tài)，而其下橋臂的開關(guān)管開關(guān)狀態(tài)為(0,0,0,0)，即均處于關(guān)斷狀態(tài)。由于電網(wǎng)電壓處于不平衡狀態(tài)，故中線會(huì)有電流流過，且通過第四橋臂進(jìn)行傳遞。但此時(shí)系統(tǒng)不進(jìn)行能量傳遞，后級(jí)電容c給負(fù)載r供電。

2)如圖6(b)所示，工作模態(tài)2[t1-t2]，t1時(shí)刻正組變換器繼續(xù)工作，負(fù)組變換器的開關(guān)管處于全通狀態(tài)。該時(shí)段內(nèi)，正組三相四橋臂整流器上橋臂的開關(guān)管開關(guān)狀態(tài)為(1,0,1，1)，此時(shí)系統(tǒng)處于由前級(jí)向后級(jí)傳輸能量的狀態(tài)。高頻變壓器原副邊電壓為正信號(hào)，后級(jí)經(jīng)橋式整流電路的二極管d1、d4向電容充電，并向負(fù)載供電。

3)如圖6(c)所示，工作模態(tài)3[t2-t3]，該時(shí)段內(nèi)，正組變換器繼續(xù)工作，負(fù)組變換器的開關(guān)管處于全通狀態(tài)。正組三相四橋臂整流器上橋臂的開關(guān)管開關(guān)狀態(tài)為(1,0,1,0)，前三橋臂開關(guān)狀態(tài)與上一時(shí)段相同，第四橋臂開關(guān)狀態(tài)相反，電流方向相反，三相電網(wǎng)電壓通過矩陣變換器和高頻變壓器向后級(jí)傳遞能量，高頻變壓器原副邊電壓為正信號(hào)，經(jīng)橋式整流電路中的d1、d4向電容充電并向負(fù)載供電。

4)如圖6(d)所示，工作模態(tài)4[t3-t4]，該時(shí)段內(nèi)，正組變換器工作，負(fù)組變換器的開關(guān)管處于全通狀態(tài)。正組三相四橋臂整流器上橋臂的開關(guān)管開關(guān)狀態(tài)為(1,0,0,0)，此時(shí)系統(tǒng)仍處于前級(jí)向后級(jí)傳遞能量的狀態(tài)，高頻變壓器原副邊電壓上正下負(fù)，經(jīng)橋式整流電路中的d1、d4向電容充電并向負(fù)載供電。

5)如圖6(e)所示，工作模態(tài)5[t4-t5]，該時(shí)段內(nèi)，正組變換器繼續(xù)工作，其上橋臂開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)為(0,0,0,0)，此工作模態(tài)與工作模態(tài)1相似，此時(shí)系統(tǒng)不進(jìn)行能量傳遞，后級(jí)電容c給負(fù)載r供電。

6)如圖6(f)所示，工作模態(tài)6[t5-t6]，該時(shí)段工作狀態(tài)與工作模態(tài)4相同，正組變換器工作，能量由前級(jí)傳遞給后級(jí)，高頻變壓器原副邊電壓上正下負(fù)，經(jīng)橋式整流電路中的d1、d4向電容充電并向負(fù)載供電。由于開關(guān)狀態(tài)的對(duì)稱分布，減少了開關(guān)動(dòng)作次數(shù)，從而有效地降低了開關(guān)損耗。

7)如圖6(g)所示，工作模態(tài)7[t6-t7]，該時(shí)段工作狀態(tài)與工作模態(tài)3相同，正組變換器工作，三相電網(wǎng)電壓通過矩陣變換器和高頻變壓器向后級(jí)傳遞能量，高頻變壓器原副邊電壓為正信號(hào)，經(jīng)橋式整流電路中的d1、d4向電容充電并向負(fù)載供電。

8)如圖6(h)所示，工作模態(tài)8[t7-t8]，該時(shí)段工作狀態(tài)與工作模態(tài)2相同，正組變換器工作，此時(shí)系統(tǒng)處于由前級(jí)向后級(jí)傳輸能量的狀態(tài)。高頻變壓器原副邊電壓為正信號(hào)，后級(jí)經(jīng)橋式整流電路的二極管d1、d4向電容充電，并向負(fù)載供電。

上述工作模態(tài)僅針對(duì)于正組變換器工作時(shí)，負(fù)組變換器工作模態(tài)與之相同。由以上工作過程可以看出，通過解結(jié)耦sapwm調(diào)制方法對(duì)四個(gè)橋臂開關(guān)管進(jìn)行控制，使得工作模態(tài)對(duì)稱分布，減少了開關(guān)管的動(dòng)作次數(shù)，可以有效的降低開關(guān)損耗。由于第四橋臂的引入，當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，交流側(cè)輸入電流低次諧波含量低，相比三相三橋臂高頻鏈矩陣式整流器，本發(fā)明具有更好的工作性能。

以上所述的實(shí)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)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。