矩阵式变换器安全换流策略研究
摘 要：本文对矩阵式变换器的开关换流进行了分析，论述了四步换流策略的正确性和可靠性，并通过CPLD加以实现。仿真和实验结果表明四步换流策略可以使矩阵变换器中的双向开关换流安全可靠地进行。
关键词：矩阵式变换器；四步换流；CPLD
引言
目前广泛使用的交流变频器一般采用“交－直－交”形式，这种传统的变频器存在许多难以解决的问题；而矩阵式变换器采用“交－交”方式，能够直接将交流变换成电压和频率都可以控制的交流。与传统技术相比，矩阵式变流器的网侧功率因数理论上可达1，可自然实现能量反馈，而且无需较大的直流支撑电容，是一项具有环保、节能优势的新技术。
在矩阵变换器中，由于采用单向自关断器件组成双向开关，没有自然换流通路，因而如何安全可靠地实现器件间的换流是完成矩阵变换器技术的关键之一。
本文对矩阵变换器中器件换流问题进行了研究和实验，采用四步换流策略，应用Xilinx公司的CPLD器件XC95144及其开发软件Foundation，完成了四步换流。仿真和实验结果验证了这一方案的正确性和可靠性。
图1 矩阵式变换器主电路
图2 两相－单相矩阵变换器简单示意图
图3 换流状态示意图
图4 CPLD控制部分功能图
图5 输出U相六个开关仿真波形
图6 四步换流实测波形
图7 上半图为输出电流波形(
矩阵式变换器四步换流策略
矩阵式变换器由九个双向开关管组成，电路采用矩阵形式连接，如图1所示，任一时刻每输出相有且只有一个开关导通。
矩阵式变换器中双向开关管间的可靠换流因没有自然通路而比传统变频器困难的多。换流主要基于以下两个原则：第一个原则是同一时刻不能有两个开关管同时导通，这样将引起输入相短路，产生的尖峰电流将损坏变换器；第二个原则是在任一时刻每一输出相开关管不能全部关断，这样感性负载电流将没有通路，会引起尖峰电压。四步换流策略遵守了以上两个原则，可以实现可靠换流。图2所示为两相—单相简单矩阵变换器电路示意图。
在最初稳定状态时双向开关SAa处于导通状态，双向开关SBa处于关断状态,如图3所示，“1”表示开关管处于导通状态。现在假设电流要从SAa管换到SBa管，负载电流方向如图2所示，即iL>0。四步换流第一步就是要关断处于导通状态的双向开关中不流过电流的那个管子，因此第一步关断SAa2管；第二步开通要换流到的双向开关中要通过电流的管子，在本例中根据负载电流方向，SBa1管将通过电流，所以第二步开通SBa1管；第三步，将SAa1管关断；第四步导通SBa2管。这样经过以上四步换流，双向开关SAa完全关断，双向开关SBa完全导通，使电流从SAa换到SBa。这一换流过程如图3所示。同理,当负载电流反向，即iL<0时，如果电流仍从双向开关SAa换到SBa，四步换流过程可以表示为第一步SAa1管关断；第二步SBa2管导通；第三步SAa2管关断；第四步SBa2导通管。
这种换流方法不会引起输入侧短路和负载输出侧开路，而且这种开关方式能够有效减少器件近50%的开关损耗，因此四步换流策略可以确保矩阵式变换器安全可靠地换流。
四步换流策略的实现
四步换流策略必须按照时序一步步完成，复杂可编程逻辑器件CPLD就可以很好地实现。本文采用的是Xilinx公司的CPLD器件XC95144，此芯片具有高密度、高性能、5V在系统可编程ISP能力等特点。本文采用该芯片及其开发软件Foundation，程序全部用VHDL语言编写，并通过JTAG下载到芯片中进行实验调试。
CPLD控制部分由两片CPLD组成，与DSP控制模块相配合，CPLD控制部分功能图如图4所示。第一片CPLD相当于锁存器，完成的功能是将DSP发出的一周期换流信息全部锁存，在换流时刻到来时再将换流信息送给第二片CPLD。第二片CPLD相当于译码器，其功能是接收到九位换流信息后按照四步换流策略完成换流，输出18路开关脉冲。这样CPLD控制部分可以自动将一周期内的换流完成，减少了DSP的工作量，提高了整个矩阵变换器控制系统的效率。
第一片CPLD
第一片CPLD完成锁存器的功能，并在条件满足的情况下输出相应信息。换流要知道最初状态、下一时刻的状态和负载电流的方向。换流信息包含了开关组合和矢量顺序。DSP通过16位数据总线将一周期内的换流状态写入CPLD，CPLD对DSP发出的PWM波进行逻辑计算，得到相应的换流条件。一旦换流条件满足，第一片CPLD将输出相应时刻的换流信息给第二片CPLD,由第二片CPLD按照四步换流策略完成具体的换流。
第二片CPLD
第二片CPLD连接第一片CPLD和驱动电路，具体完成四步换流策略。根据矩阵变换器主电路中IGBT器件本身的开通关断时间要求，换流时钟节拍采用CPLD外部
实验调试结果
两片CPLD的调试全部在Xilinx公司的Foundation开发软件中完成。图5所示为输出U相换流的开关仿真波形，S1~S6分别为六个开关波形，d为四步换流时钟节拍。由图5可以看出开关波形完全符合四步换流理论，设计是成功的。图6为实际测量的四步换流波形，从中可以看出CPLD产生了正确的开关逻辑，使开关换流动作正确。
在此基础上，本文搭建了矩阵变流器系统，其开关频率为2kHz，输入线电压为380V，输入频率为50Hz，输出频率为20Hz。矩阵式变换器的输出电流和输出线电压波形如图7所示，得到了变换器正弦输出电流和正弦输出线电压。
结语
四步换流策略可以使矩阵变换器安全可靠换流，用CPLD可以很好地完成四步换流功能。CPLD器件具有研制周期短、设计灵活、性能可靠的优点，非常适合完成时序逻辑设计，实验证明四步换流策略确保了矩阵变换器能够安全可靠的运行。■
参考文献
1 Patrick W.Wheeler ， Jose Rodriguez ， Jon C.Clare. Matrix Converters: A Technology Review. IEEE Transactions on Industrial Electronics,Volume: 49, No.2.April 2002
2 Patrick W.Wheeler ， Jon C.Clare. Matrix Converters.Power Enginering Journal December ， 2002