矩阵式单相调压器的研究

　　摘要：矩阵式变换器是一种新型电力变换器。本文研究了一种由矩阵式单相变换器演化的单相调压电路,与传统调压器相比,这种调压器具有输入电流正弦度高、输出电压调节线性度好、功率双向流动、动态响应快、结构紧凑等特点。对这种调压器的工作原理和换流电路进行了理论分析和仿真分析,通过对不同负载进行的实验研究,验证了理论分析和仿真分析的正确性。

　　1 引言

　　调压器广泛应用于工农业生产、交通运输、电讯、广播电视、国防、军工、医疗卫生、 科学实验和家用电器等方面。传统的调压器通常采用工频磁耦合技术制成，通过手动调节得 到所要的电压，开环结构难以实现输出电压的控制，功能单一。除传统电感式调压器外， 当前较为常用还有的采用晶闸管构成的交流调压装置。这种交流调压器采用相控方式，输出 电压调节方便，电路结构较紧凑。但由于是相控调压，所以输入电流波形为非正弦波，并且 随着相控角的改变，电流波形变化很大，尤其在输出电压为非值时（实际应用中大部分 在此工作区间），输出的电压、电流均为波形严重畸变的非正弦波，给电路中注入大量高次 谐波，特别是大功率调压装置，使交流市电受到严重的污染。

　　本文介绍一种拓扑结构简单的矩阵式单相调压器。该调压器具有输入电流正弦度 高、功率双向流动、动态响应快等特点，控制容易实现，适用于恒频调压调速、UPS、工业 加热、调光器等应用场合。在电路结构上，由于无须使用大容量电解电容，因而寿命长、可 靠性高。

　　2 电路拓扑结构及工作原理分析

　　矩阵式单相调压器的拓扑如图1 所示。 通过一组开关函数可以将输入的工频交流电压转换 成幅值可调的单相交流电压。图中S1、S2 为2 只全控型器件IGBT 采用共发射极串联组合成 的双向可控开关，这种开关可以通过双向电流阻断双向电压，故又称之为四象限开关。

　　电路拓扑中，双向开关S1 与负载串联，周期性地将负载与电源通断，调整着输入负载 的功率。S2 与负载并联为负载电流提供续流通路。电路中Ci、Li、分别为输入滤波电容、电 感，L、C 为输出滤波电感、电容。

　　2.1 工作原理

　　2.2 讨论

　　图1 所示的电路拓扑，实质上是一个降压调压器，输出电压不会达到或超过电源电压，如想获得更高的输出电压，需将负载换为一高频升压变压器。

　　2.3 安全换流策略

　　在图1 所示的电路拓扑中，双向开关S1、S2 应以互补方式工作，但由于开关动作时间 和驱动电路本身的延迟，因此，若S2 在S1 关断之前开通，则Ui-S1-S2 就构成一条短路路 径，产生的电流峰值将毁坏开关；若S1 在S2 导通之前关断，则感性负载上的电流就没有流 通路径，产生的电压峰值将会毁坏开关。双向开关S1、S2 之间如何实现安全换流，成为设 计该变换器的关键所在，本文采用一步换流策略。 这是一种根据电源电压与负载电流的极性而确定的换流方式，根据二者极性的不同， 即变换器工作的象限不同，按照表1 中的换流关系控制各单向开关即IGBT 的通断情况。表 1 中，σ表示PWM 脉冲，σ’表示PWM 脉冲的补脉冲，“1”表示恒通，“0”表示恒断。

　　在这种换流方式中，电流在双向开关S1、S2 之间切换时，只需经过一步即可完成。在 任何一个开关周期中，总是只有一只IGBT 动作，因而开关损耗大大降低。当变换器工作在 I、III 象，通过控制Q1、Q3 的通断，控制负载吸收电源功率的多少。在这种方式下， Q1（Q3）导通时，Q4（Q2）冗余导通；Q1（Q3）关断时，Q4（Q2）导通，实现续流。当变换 器工作在II、IV 象，Q1、Q3 的通断控制，决定了负载向电源回馈了多少能量，Q4（Q2） 导通时，Q1（Q3）冗余导通；Q4（Q2）关断时，Q1（Q3）导通实现能量回馈。

　　各单向开关的控制逻辑关系如图2 所示，图中Q1-Q4 表示单向开关Q1-Q4 的驱动信号， Vi、iL 表示电源电压和负载电流。

　　3、矩阵式单相调压器仿真

　　为了验证理论分析的正确性，在PSPICE 仿真环境下，对图1 所示矩阵式单相调压器的 电路拓扑进行了仿真。仿真参数如下：电源为峰值100V、50Hz 的交流电，未加输入滤波； 输出滤波电容电感C、L 参数分别为：20μF、0.5mH；负载为RO=10Ω、LO=5mH，开关频率为 10KHz。仿真结果示于图3。图3（a）为改变占空比时，根据仿真结果生成及公式计算出的 标么化输出电压与占空比的关系曲线，图3（b）为输出电压随占空比改变的实际输出电压， 占空比大小在图上标明。图4 是占空比为0.8 时输入电流电压波形及输入电流频谱。图4 中输入电压标度作了调整。

　　由图3、图4 看出这种变换器的输出电压与占空比D 近似成线性关系，变换器的输入电流有较好的正弦度。

　　4、矩阵式单相调压器的实验

　　根据上述分析和仿真结果制作了一台实验样机，进行实验研究时根据负载不同将实验过 程分为阻感性负载实验和高频升压器负载实验，实验结果见图5（a）和（b）。

　　4.1 阻感负载时

　　图5（a）为占空比为0.3 时带阻感负载时的输出电压、电流波形图。实验条件为：电 阻R=34Ω、L=5mH，开关频率为13K，输入60V、50Hz 工频交流电。

　　4.2 负载为高频变压器时

　　图5（b）为带高频变压器、占空比为0.6 时变压器副边电压、电流波形图。实验条件 为：输入电压32V、50Hz 工频交流，变压器原、副边匝比为1：2，变压器负载为阻感负载， 其中R=20Ω、L=5mH，开关频率为13K。

　　由图5 实验结果可见负载电压为脉冲状正弦波，阻感负载时，负载电流波形连续，正弦 度较高；占空比改变时，负载端电压大小随之改变；输出电压、电流波形中均无明显尖峰， 说明换流电路有效可靠；带高频升压变压器时，负载端电压可高于输入电压。实验结果验证 了理论分析与仿真研究的正确性。

　　5、结论

　　矩阵式单相调压器具有开关元件少、中间无需电容等无功元件、输出电压宽范围线性 可调、输入电流正弦度高等特点。这种斩波调压与相控调压相比克服了输出电压谐波分量大、 输入电流谐波分量高等缺点，将这种调压器与高频升压变压器结合可得到高于电源电压的输 出电压，同时当开关频率很高时，变压器的体积和整机的体积可以作得较小，与传统单相调 压器相比，重量与体积可大大降低。本文通过实验验证了理论分析和仿真结果，为该变换器 的进一步应用研究提供参考。

　　本文作者创新点：研究了一种用组合式双向开关构成的、可在四象限运行的单相调压器；采 用斩波控制，具有输入电流正弦度高、输出电压谐波小等特点。