单相高频链矩阵式逆变器的解结耦单极性移相调制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及单相高频链矩阵式逆变器解结耦单极性移相调制方法，属于电力电子功率变换器调制及控制领域。
【背景技术】
[0002]逆变器是一种把直流电能装换成交流电能的拓扑装置。高频链逆变器采用高频变压器替代工频变压器克服了传统变压器体积大、噪声大、成本高等缺点。
[0003]高频链矩阵式逆变器的变换过程有DC/HFAC/LFAC三种功率特征，其中，HFAC:高频交流，LFAC:低频交流。可知此类逆变器中出现了 DC/AC即直流/交流逆变环节，该环节位于变压器原边，又可知也出现了 AC/AC即交流/交流变换环节，该环节也常称为周波变换器或矩阵变换器环节位于变压器副边。矩阵变换器与传统变换器相比，没有中间储能环节，采用双向开关，可以实现能量的双向流动，结构紧凑、体积小、效率高，且输出电压幅值和频率可以独立控制。
[0004]由于高频变压器漏感的存在，使得高频链矩阵式逆变器换流时，在变压器副边矩阵变换器中功率管上产生较大电压过冲，因此变压器副边矩阵/周波变换器的安全换流一直是制约高频链逆变器实现大功率化的技术难点。目前主要有以下几种安全换流策略:①通过加入有源箝位来抑制电压过冲，可以实现软开关，但引入的箝位电路显然增加了成本，增加的可控功率管也使控制更为复杂；?利用串联谐振电路来实现功率管的软换流，通过控制谐振槽的能量使功率管工作在零电流点，但是能量的传输依赖于谐振电感和电容的容量，因而使得逆变器的输出功率受到限制；③单极性和双极性移相控制策略借助周波变换器的换流重叠实现了电感电流的自然换流，并且实现了功率管的ZVS，但存在换流重叠时间不易控制等问题。上述策略虽然能够实现安全换流，但逆变器的调制和控制更为复杂使得整机效率的提升受限，导致了系统可靠性降低以致影响了该类变换器的广泛推广使用。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于解决现有的单相高频链矩阵式逆变器的调制及控制方法实现复杂，不能简单有效解决双向开关安全换流等问题，提出能够简单而可靠地实现单相高频链逆变器ZVS软换流的解结耦单极性移相调制方法。
[0006]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为:
[0007]单相高频链矩阵式逆变器解结耦单极性移相调制方法由单极性SPWM信号发生环节、解结耦单极性移相调制逻辑处理电路及被控对象单相高频链矩阵式逆变器组成，单极性SPWM信号发生环节所产生的SPWM信息通过解结耦单极性移相调制方法及逻辑进行处理，将单相高频链矩阵式逆变器解耦成两个普通的电压型逆变器，得到用于单相高频链矩阵式逆变器的驱动控制信号，实现能量双向流动和四象限运行。
[0008]解结耦单极性移相调制方法及逻辑分为解结耦调制方法及逻辑与单极性移相调制方法及逻辑两部分内容。变压器原边高频逆变器采用单极性移相调制方法，将输入直流电压调制成双极性三态的高频交流电压波。变压器副边矩阵变换器采用解结耦调制方法，将变压器传递的高频交流电压波转换成单极性的SPWM波。
[0009]对于本发明所述的单极性移相是指变压器原边高频逆变器中右桥臂功率管驱动信号相对于左桥臂功率管驱动信号存在一定的移相角。对于本发明所述的解结耦，包含“解耦”和“结耦”两部分工作。其一，解耦工作是针对电路特征和物理连接的分析，分解交流电源为直流脉动电源，分解双向可控开关电路为单向可控开关电路，故可将周波变换器解耦成正负两组普通的电压型逆变器。其二，结耦工作则侧重于逻辑变换和控制实现，其核心控制思路为:正组逆变器工作时负组逆变器的全部功率管处于导通状态，同理，负组逆变器工作时正组逆变器的功率管也具备全部导通条件。
[0010]传统的单极性SPWM控制信号经过本发明所提逻辑电路处理后得到单极性移相驱动信号，同样也可以得到与期望输出正弦波频率相同的低频方波信号和二分之一开关频率的高频方波信号，将二者再进行逻辑处理后得到变压器副边矩阵变换器的解结耦驱动信号。根据解结耦单极性移相驱动原理，变压器副边矩阵变换器中功率管的开通与关断均是在变压器电压为零期间完成的，故可以实现功率管的零电压开关，并且能够实现变压器漏感与滤波电感电流的自然换流。
[0011]单相高频链矩阵式逆变器的解结耦单极性移相调制方法，包括以下步骤:
[0012](I)当输出电压的反馈信号即调制波信号Uel小于载波信号U。时得到信号V i，当输出电压的反馈信号反值即调制波信号Ue2小于载波信号U。时得到信号V 2，将V1信号和V 2信号的与信号进行上升沿二分频处理后得到变压器前级高频逆变器左桥臂下功率管S2的驱动信号S2;
[0013](2)对信号S2取反得到变压器前级高频逆变器左桥臂上功率管S i的驱动信号S 1；
[0014](3)将V1信号和V 2信号的或信号进行上升沿二分频处理后得到变压器前级高频逆变器右桥臂下功率管S4的驱动信号S4，对信号S4取反得到变压器原边前级高频逆变器右桥臂上功率管S3的驱动信号S 3；
[0015](4)对载波信号U。进行下降沿分频得到信号Vn，对信号Vn取反得到信号Vp;
[0016](5)对信号U1与信号Vn取或得到变压器副边矩阵变换器中漏极与变压器副边同名端相接的左桥臂第一功率管Sp1的驱动信号Sp1以及漏极与输出滤波电容Cf及负载相连的右桥臂第三功率管Sp4的驱动信号S p4；
[0017](6)对信号U2与信号V ,取或得到变压器副边矩阵变换器中漏极与滤波电感L #目连的左桥臂第三功率管Sp2的驱动信号Sp2以及漏极与变压器副边同名端相接的右桥臂第一功率管Sp3的驱动信号S P3；
[0018](7)对信号U1与信号V P取或得到变压器副边矩阵变换器中漏极与变压器副边异名端相接的左桥臂第四功率管Sni的驱动信号Sni以及漏极与输出滤波电容Cf及负载相连的右桥臂第二功率管Sn4的驱动信号S N4；
[0019](8)对信号U2与信号V P取或得到变压器副边矩阵变换器中漏极与滤波电感L #目连的左桥臂第二功率管Sn2的驱动信号Sn2以及漏极与变压器副边异名端相接的右桥臂第四功率管Sn3的驱动信号S N3。
[0020]本发明的有益效果在于:
[0021]一、本发明实现了变压器副边矩阵变换器的ZVS软换流，并且软换流实施方案不受负载限制。
[0022]二、在任意时刻变压器副边矩阵变换器同一桥臂仅有一个功率管处于关断状态，并且功率管半个周期处于导通状态，另半个周期处于方波调制状态，因此本发明在降低功率管开关频率的同时还能减小功率管的开关损耗。
[0023]三、无需借助辅助电路与变压器副边矩阵变换器的重叠换流即可实现变压器漏感以及滤波电感电流的自然换流。
[0024]四、本发明控制简单，，实施方法灵活过程简便，可有效提升整机效率和系统可靠性，有助于变换器的广泛推广，尤其适于新能源和电机控制等领域使用。
【附图说明】
[0025]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0026]图1为本发明所提及的单相高频链矩阵式逆变器。
[0027]图2为本发明解结耦单极性移相调制方法的系统原理框图。
[0028]图3为以波形图象方式对解结耦单极性移相调制方法获得功率管驱动信号的展不O
[0029]图4为变压器副边矩阵变换器在解结耦单极性移相调制方法下的电路分解原理图。
[0030]图5为变压器原边高频逆变器所采用的驱动信号逻辑电路。
[0031]图6为变压器副边矩阵变换器所采用的驱动信号逻辑电路。
[0032]图7为本发明解结耦单极性移相调制方法控制的单相高频链矩阵式逆变器主要工作原理波形。
[0033]图8 (a?h)为本发明解结耦单极性移相调制方法控制的单相高频链矩阵式逆变器各阶段等效电路图。
【具体实施方式】
[0034]图1为本发明所提及的单相高频链矩阵式逆变器举例。前级高频逆变器将输入电压U/变换成双极性三态的电压波Uab，变压器副边矩阵/周波变换器将其转换为单极性的SPWM波UCD，经过滤波器后输出电压为正弦波U。。可见该单相高频链矩阵式逆变器的变换过程有DC/HFAC/LFAC三种功率特征，其中，HFAC为高频交流，LFAC为低频交流。可知变换器中出现了 DC/AC即直流/交流逆变环节，也出现了 AC/AC即交流/交流变换环节。矩阵变换器与传统AC/AC变换器相比，没有中间储能环节，采用双向开关，可以实现能量的双向流动，结构紧凑、体积小、效率高，且输出电压幅值和频率可以独立控制。本发明即公开能够简单而可靠地实现单相高频链矩阵式逆变器安全换流的解结耦单极性移相调制方法及逻辑。
[0035]图2为本发明解结耦单极性移相调制方法的系统原理框图。由单极性SPWM信息发生环节1、解结耦单极性移相调制方法逻辑处理电路2及被控对象单相高频链矩阵式逆变器3组成。其中单极性SPWM信息发生环节产生SPWM信号、与期望输出正弦波频率相同的低频方波信号以及二分之一开关频率的高频方波信号，并交由解结耦单极性移相调制方法逻辑电路进行信号变换和处理，所得驱动信号可实现变压器原