高频矩阵整流器设计和实现 电气工程及其自动化专业

1、第1章 绪论一课题背景一九七六年，B.Pelly与L.Gugi指出了矩阵变换器的观念和思想，在那个时候试图靠晶闸管以及外界强制转换器电路来构造和实行双向开关，然而这一思想会增大转换器设施的体积。一九七九年下半年,学者文图里尼和阿莱西娜提出了一个矩阵变换器的控制策略可以实现矩阵变换器的任意相的输入和输出，这个实验结果让矩阵变换器得到了长远的发展，控制策略在一定程度上简化了矩阵变变换器系统内所含的谐波含量，但由于其电压传输比小于0.5，其发展受到影响的各种限制条件。在20世纪80年代末和90年代初的时候，电力电子设备的价格正在接二连三的下降，而且开展了探究根据科技标准的持续改良以及微电子科技的进展

2、，矩阵转换器的探究亦开启了在新的发展方向，调整战略逐步开展，科学家相继加入实验室建造了仿真的模型和实验设施。因为微处理器（CPU）的处理速度一般情况下都很低，其运作的频率受限，电力电子器件的换流技术也没有很齐全。人们研制出来的实验设施的输出电压的频率基本较低，通常低于电网频率。目前在电力改造中应用广泛设备内的双向开关由两个单向开关组成，可以使瞬间阵列转换器的输出电压频率增加到输入频率的23倍。在过去的30年里，有很多专家学者对矩阵变换器的研究工作投入了大量的精力，并且获得了大量成效良好的科研结果。现在，矩阵转换器的极限的输出功率最大值可为二十二千瓦或者更大，在MATLAB这一仿真软件的基础上，

3、在实验电路中应用的大部分控制器TMS320C30、C40DSP、CPLD等。二零零二年，加拿大人Tom sun与张杰指出了y一个过调制方法，把这个调制方法使用在矩阵转换器，能够使电压传输的比例接近一比一。最近十几年，大量科学家改良和探究过矩阵转换器的几类控制办法，威斯康辛-麦迪逊大学的T.A.Lipo学者研究了输入电压不对称时矩阵转换器的控制策略；之后，学者V.P.Mordatch改进了传统的空间向量调制策略，提出如果在空间向量调制中省略零量，可以减少切换时间，提高输入输出的电压增益；丹麦彼得尼尔森学者提出了改良维持矩阵转换器的办法。在对实验设施的研发间，教授在一九九五年研发出两千瓦功率的矩阵

4、转换器TMS320E14是DSP控制器使用空间矢量调节，输入的功率因数将近一，输出的频率范围在零至一百六十七赫兹。二零零一年，清华大学的黄立培教授开始把矩阵转换器运用在性能非常高的交流变频调节系统中，凭借智能电源模块，逆阻IGBT模块以及单管IGBT模块构造了交叉矩阵转换器的实验设施。二零零四年，日本的大川公司于市面上推介了矩阵转换器实践上的使用，容量达到5.522kW。2005年，英国的谢菲尔德大学中的一个研究队伍研发了一类在无传感器调控的基础上的矩阵转换器，将其运用在海洋深处对车辆进行控制。二零零六年IN，清华大学的庄新福教授使用了一类新的双向开关RB-IGBT，从而使异步电机恒压频比控制

5、成为现实。上海大学研发出一类在SVM基础上的矩阵转换器，开关频率输出的最高值为八千赫兹，三千两百零二千瓦，容量的综合指数大部分满足了国际先进水平的要求。总结以上内容，在电力电子科技的不断发展下，矩阵转换器的性质和功能在逐步增高，然而现在所拥有的投入实践中使用的纯熟的产物不多，仍然有一些需要处理的疑问。比如，调控策略相比来说比较复杂，计算工作量较大。这些问题在一定程度上阻碍了它的推广和应用。随着现代科学技术的日新月异，电力电子技术不断向前发展的趋势，矩阵整流器已经逐步变成现代电工技术中不可或缺和最具有影响力的一部分，得到大面积推广及深入研究，整流技术是整个电力电子技术中应用最为广泛的技术之一，在

6、一项研究表明，整流技术的应用在所有电力电子装置中占百分之七十甚至更高，可见，整流装置的应用是十分广泛的，他的大部分应用在以下几个方面：（1） 居民生活中，随处可见到整流装置的应用，比如家中随处可见的电器，它的供电都是经过整流装置的，比如在策划开关的电源的时候：在各类电源直接，比如通信电源，不间断电源（ups）以及通信电源等，它的设计一般把整流器当做和电网联结的主要模块。（2） 在生产中的工业运用，比如交流电机的金属冶炼，调制速设施和电解电镀等生产技术，这种直流电机的调控速度和从电网中得到直流电压都必须经过由整流器才能实现它的功能。（3）新能源的电能转换，比如在由风能以及太阳能构成的并网的发电系

7、统当中，整流器对于电能的变换有十分关键的功能，可以讲电能高效率的输入到电网中。于是，整流技术进行更深层次的研究的意义非常重大。矩阵整流器的探究对摸索矩阵转换器在实践中当中的运用，把理想交直流转换变为现实均有十分重大的推进功能。目前还没有全面开展对这类整流器的探讨，所以在研究的历程当中，一定会挖掘出更加深刻的使用和理论意义。2. 研究现状1. 高频矩阵整流器概述：高频链式矩阵的整流器的构造框图如下图1-1所示。凭借矩阵转换器获得的工频交流，运用高频变压器耦合来输出，以非控制整流器获得稳固的直流电压这个电路既能够达到输出特定的电压范围、小电流失真、正弦电流、单位功率因数，也能够达到重量轻、成本低、

8、高频、电隔离、体积小、噪声低 还可以达到高功率密度低转换系列。由于市场上没有双向可控的开关管，所以双向开关由两个常见的发射器IGBT反向系列组成。 图1-1高频链矩整流器结构框图2. 国内研究现状:高频链矩阵整流器第一次是被学者马尼亚斯S以及齐加斯指出的，把矩阵变换器和高频链相连接，也被称呼为隔离交流-直流矩阵变换器，如下图1-3所示，矩阵变换器是虚拟整流器以及逆变器，三相交流电源整流形成虚拟直流电压，虚拟直流电压形成的高频脉冲给逆变器，再被高频变压器耦合，可控整流失去控制之后，将会输出直流电压。 图1-2高频链矩阵整流器 图1-3虚拟直流环我国的矩阵变换器的控制策略还是比较落后于国外，特别是

9、对于矩阵变换器的拓扑结构矩阵整流器的控制策略，国内研究的不是特别的广泛，近年来，它逐渐成为一个热门话题。上海交通大学的杨希军教授在二零零六年指出了对电流空间矢量调制以及对开关函数的研究。主要在供电条件的平衡与否两个不同方向验证了目前空间矢量调制的办法以及开关函数的调制方法，而且验证了这两类方法的一致性。华中科技大学的一名学者冯波学者探究而且验证了在空间矢量调制方法的基础上的整流器可以凭借让窄脉冲以及电流纹波变小以此增高输入以及输出的波形质量。矩阵变整流器的换流策略亦是从矩阵变换器的换流策略推导出来的。换流策略需要两个必要条件：（1）矩阵变换器的输入接口验证了目前空间矢量调制办法以及开关函数调制

10、办法不能短路，相当于电压源。 （2）矩阵转换器的输出接口不能被破坏，并且相当于电流源。 满足了以上两个条件的情况下才可以实现安全换流，现在大部分的换流策略划分成下面几个方面：电压换流策略，混合换流策略，还有电流换流策略。 至一九九八年，上海大学陈伯时教授开发出矩转换器实验设施。以单片机为控制器，运用电流空间矢量调制(SVM)和四步换相法，在当时处于世界领先地位。 同年，南京航空航天大学的学者提出了原点开关的思想，即虚拟电流矢量的合成更加规范，双向开关的开闭更加准确。 在21世纪，哈尔滨工业大学陈学云教授开创了矩阵变换器的等效电路。 它的思想是导出输入电流、输出电压和功率因数的表达式。 现在，不

11、管是在开关损耗分析，还是在调制策略等方向，矩阵整流器都获得了适当程度的进步。对以输入侧电压为基础的二线制电压调制策略来说，能够把单位功率因数以及输入侧电流正弦化为现实。虽然输出电压和调制指标表现出线性相关的关系，然而却有浪费电路多等缺点。双极电流空间矢量调制方法（B极电流空间矢量脉宽调制，B-C-SVM）为一种能够适合高频链矩阵整流器的新的调制办法。这种办法不仅拥有低输出电压/电流纹波等优点，还有单位输入功率因数，低开关消耗，正弦输入电流等特性。目前，高频链矩阵整流器的闭环控制策略通常采用PI控制，难以满足系统控制的质量要求。 目前国内对于矩阵变换器的研究还是相对于国际研究水平存在一定差距，特

12、别是对于矩阵变换器拓扑结构矩阵整流器的研究相对较少。 矩阵整流器的研究在理论和工程应用上都具有重要的价值。2国外研究现状：一九七八年，有两位学者Alesina与Venturini. M指出一种具有33结构的矩阵变换器。 基于此，越来越多的学者开始研究矩阵变换器的拓扑结构，提出了四种新的拓扑结构。 直到1990年代初，T.A.Lipo等人提出了结构形式33的MR，以实现AC/DC的整流功能，从而也产生了矩阵整流器的雏形。L.Gyugyi和B.R.Pelly在1976年提出了一类静态功率变频器当中的单相/三相变频器桥接电路。运用晶闸管反方向并联的方式电路，是非隔离拓扑的一种。B. R. Pelly

13、以及L. Gyugyi提出，可以凭借运用合适的调制方法，使这个结构的变换器能够输出变频单相交流，这可以说是矩阵整流拓扑的雏形。矩阵整流器的控制方法就是从矩阵变换器的控制方法中推导出来的。矩阵转换器的第一种控制方法是文丘里法，这是由Alesina提出的。 A和Venturini。 上世纪80年代初。 其思想是利用数学求解得到开关矩阵的表达式，控制开关矩阵。 一九九三年，D. Casadei指明了一类直接空间矢量的调制策略，该想法不是传统的AC-DC-AC，却是一步就能得到输入电流以及输出的电压调制模块。不可否认的是，要是在这类调制方法当中运用了调制方法，尽管电压传输的比例由0.866变成了0.9

14、，然而却导致了谐波的数量更多，波形较差。一九七九年，意大利的研究者M.Venturini以及A.Alesina指出矩阵变换器存在的理论，该理论对于矩阵变换器的进一步发展有很大意义。一九八五年，加拿大学者S.Manias以及P.D.Ziogas指出一类孤立拓扑，而且在虚拟直流回路的想法的基础上探究调制方法，它们叫做开关模式整流器。D.G.Holmes以及T.A.Lipo等学者，指明一类AC/DC的矩阵变换器，并于一九九二年演变了三相/三相矩阵变换器的拓扑构造。其中含有四类不同的模式：有双端双向，单端双向，双端单向，以及单端双向AC/DC变换器。他们把非隔离矩阵整流拓扑叫做可控整流器，然而负载跟输

15、入的功率两者中缺少电气来将其隔开。齐格勒等学者在90年代指出电压换流举措，是早些时候的电压换流办法 被叫做两步换流法。办法就是把三相输入电压分割成6个尺寸相同的扇形区域。以观察每个扇形区域的三相输入电压的比值，连通对应的双向的开关，为了为负载提供连续流动通道，无需知道输出电流的方向，防止输出侧断开。1985年，学者马尼亚斯S和齐加斯PD首次提出了高频链矩阵整流器，把高频链和矩阵变换器连接在一起，被叫做孤立的AC-直流矩阵变换器。它的调制模式的基础是虚拟直流回路的正弦脉宽调制（SPWM），其实也就是虚拟整流器与逆变器共同构成了矩阵变换器。 3. 本文研究的目的与意义 以矩阵整流器与高频隔离变压器

16、为组件的高频链矩阵整流器，一方面达到了负载和电源中的电气隔离，另一方面，使变压器的体积减小，质量下降，并且扩大了输出的电压区域，进而加大了其使用区域。除了在高压直流输电有巨大的使用潜能，高频矩阵整流器在风力发电，以及开关电源等方向都有非常可观的使用潜能。 因为高频链矩阵整流器能够达到在比较广的负载区域间单元功率因数与可协调功率因数的要求，并且不需要直流储能这一个部分，也不需要母线电容，构造非常紧密，双向能流，能够切实的实现四象限运行。拥有非常大的研究性和广阔的市场。我们都知道，资源和我们的日常生活和进一步发展有很大联系。因为对石油，天然气以及煤炭这些不能够再生的资源超负荷的挖掘与使用，并且使用

17、这些能源用于发电或者燃烧而导致的温室效应与环境污染，使资源与我们生存的环境都受到了严峻的挑战。由于风能是一类既清洁安全，又十分经济，并且有效，还能够再生的资源。所以风能是有效开发对于我们的持续性的发展，以及减轻资源所受威胁，处理目前环境所面临严峻的形势意义重大。因而，各个国家都逐渐意识到了风力发电的巨大优势。风力发电用有许多良好的特性，比如对环境基本无影响，风能十分充裕，机组年可以有效利用的小时数高等。并且与海的距离达到一定时大，风速就非常大且平稳，风电场输出的功率就很大且平稳。就长距离运输来说，相比交流运输，HVDC运输的经济性，可靠性以及稳定性都更优越。海上风电与HVDC输电的结合是未来风

18、电及其输电技术的发展方向。在风电系统中，高频矩阵整流器直流电机组的输出端口可由HVDC直接传输。该结构降低了变压器的体积，节省了母线的电容。同时完成无功有功独立控制，实现最大风能跟踪，有利于电网稳定运行。高频链式矩阵整流器作为一种新型的双向充电拓扑结构，已经在电动汽车V2G技术的使用中被运用过了。多方面思考电网的市面上的标价及用户对电的需求和网侧的各项使用参数，加上电动汽车的旅程安排，电池容量，运作情况，达到V2G的使用功效。使用高频矩阵整流器，可以达到能量的双向的流动，电量不够的时候及时给电池充电，负载太大就把电供给电网。 在大电源以及通信电源组合成的系统当中，能够凭借纯粹的控制来输出恒定的

19、直流电压，实现单位功率因数的输入。 选择可以调整的功率因数，能够把高频链矩阵整流器使用在电路功率因数校正。把三相单相交流和变频变压器以及单相交流矩阵变换器连接在一起，形成性能好的电力电子变压器。双级交流交流矩阵变换器可由电压PWM逆变器构成，能够在交流驱动调速等方面使用，增大交流器以及发电机的使用效率。各个国家的研究人员对高频链矩阵整流器的探讨研究大部分都在模拟实验以及理论分析这个时期。尽管还未投入实际生产，然而该科技的能够实现已经被实验模型的成功生产所证明。研究的不断千金 会让高频链矩阵整流器在市面上有非常大的使用潜能。本文研究的主要内容该议题关键对探究了高频链矩阵整流器的控制方法和仿真。该

20、论文第一部分阐述了高频链矩阵整流器的运作的原理及其拓扑构造，比较全面的讨论了高频链矩阵整流器的双极电流空间矢量调制方法，指出一类新型的高频链矩阵整流器两步换流办法。还有单相电流型高频链矩阵整流器的PWM 调制方法以及 SVPWM调制方法，并且对于三相电流型高频链矩阵整流器换相的相关疑惑提供了改良的SVPWM 调制方法，还对相关的工作原理进行了说明。然后是d.q同步，在坐标系下建立高频链矩阵整流系统的数学模型。在这个情况下 ，指出了高频链矩阵整流器的闭环控制方法。这个控制系统不仅有输出电压/电流波纹不大，不存在静差，输入电流谐波含量不高等特性，还有功率因数高等优点。在MATLAB基础上，构造了完

21、整的仿真的模型。得出的实验结果证明了控制方法的高效以及准确度。第二章 高频链矩阵整流器的调制策略 2.1.1高频链矩阵整流器的调制策略高频率链矩阵整流器是由三相-相交流交流矩阵转换器和单相整流电路组成。该调制方法的难点是三相-单相交流矩阵转换器。三相-单相交流矩阵变换器是在高频合成的基础上实现的。该调制方法包括在虚拟整流逆变器的基础上的脉宽调制（PWM） 以及在绝对值逻辑基础上的正弦脉冲宽调制（SPWM）。双线电压调制方法和双极电流空间矢量调制方法。图一双向开关结构2.2.2基于虚拟整流-逆变的PWM控制策略 三相-单相 AC/AC 矩阵变换器的化简后的结构(包含6 个双向开关 SapScn)

22、如下图2(a)，将这个虚拟成为整流-逆变两级的构造(整流级由 6 个单向开关 S1S6构成，逆变级由四个单向开关 SW1SW4组成)，如下图 2(b)， 就像常见的AC-DC-AC 变换器，由于现实生活中不存在直流链路，所以用 Upn 来虚拟。 图2三相-单相AC/AC矩阵变换器的简化结构与虚拟结构对虚拟整流级使用的是空间矢量调制方法。于复平面上，用六个有效开关矢量(i1i6)作为边缘组成六个不同的扇区，如下图 4。 在这里的所有开关矢量括号当中的两个字母各自代表着跟输出 p、n 极相连的输入相。 把参考电流矢量 ii 位于扇区作为例子，由其所在的扇区相邻的 两个有效开关矢量 i1(ab)和

23、i2(ac)及零矢量 i0构成，而且算出每个矢量相应的占空比例 dab、dac、d0，在这之间 mc是虚拟整流级调制比而i 是参考电流矢量夹角。图3六扇区的划分及空间矢量合成2.2.3基于绝对值逻辑SPWM调制策略 在绝对值逻辑SPWM基础上的调制方法，凭借拓扑解构，依靠输入电压的绝对值，稳定SPWM实现调制从而获得正负交流电压。跟以虚拟整流逆变器作为基础的PWM调制策略比较，硬件电路更容易达到要求，然而电压利用率非常低。对三相-单相交流矩阵转换器进行拓扑解构，如图5所示。红色的部分为一个正向开关，经过这个导通的合成正向电压向上，通过传导A负电压Un。可以通过打开蓝负开关合成，得到正负交流输出

24、电压，把一个开关周期分成前后半部分循环，通过拓扑解构，控制负的开关，得到相应的正负电压。三相单相交流交流矩阵转换器有输入电压向量ua、ub、uc绝对值的12区间平均值，所有区间各相绝对值平均值的次序都是一个常数值，如下图6。在所有的开关周期中，把最大的那一个绝对平均值连接的开关接通，由二次开关连接的开关先接通，传导后的最小的那一个相位连接到开关。在循环的前半段，合成前电压，在循环的后半段，这是相反的电压，最后，在高频变压器的两端得到正负交流电压。图4三相-单相AC/AC矩阵变换器的拓扑解构 2.1 高频链矩阵整流器的拓扑结构高频链矩阵整流器的拓扑结构见图3，它不仅包含了输出LC 电路、输入LC

25、滤波器、高频变压器，还包含有不可控全桥整流器、矩阵整流器、和负载。矩阵整流器包括有12个IGBT构成的双向开关。三相工频交流电压和正负交流电的直接转换高频信号。变换交流。常见的隔离整流器中的直流交流二流水平变换。进而使转换系列和开关的数量大大下降。变压器T1电气隔离，提高电压水平，减少传输消耗。由于有高频电力、变压器、滤波器之类的配件的体积和重量均有所下降。二极管全桥式整流器，电压较高变频器的输出被转变成直流电源。 图3高频链矩阵整流器的拓扑结构图3显示了高频链矩阵整流器输出电流的方向。输出电流从P流向n的方向被指定为正方向。反之亦然负值：按下每个双向开关中的单向开关的输出值区分流动的正和负方

26、向，如五孙钟五，表示开关和表显示并输入一个已连接的数据。1表示上臂。当涉及到表示法时桥臂还表明，一些单相开关同时开启。输出值为正数电流可以平稳地流动。高频链式矩阵转换器的三个典型拓扑构造为图4。拓扑1的组成有三相单相矩阵变换器组成高频变压器、单相桥式全控整流器电路、电压源逆变器组成，如图4（a.三相单相矩阵转换器）包括12IGBT的六个双向开关，用这个来达到三个交叉电流向正负交流高频脉冲的变换的要求，单相高频变压器输入和输出之间的电气隔离，增加了额定电压单相桥式全控整流器电路将会出现高频变压器的输出通过正负交流高频脉冲转换成直流电由六个IGBT组成的电压源逆变器通常被使用采用传统的电压空间矢量

27、算法来实现直流交流转换。 图4 高频链矩阵变换器的3种拓扑结构图表在4(b)中所示的拓扑2与图4(a)中的拓扑2相似，并且有所不同用二极管单相桥式不可控制整流电路更换单相桥全控制整流器电路降低了控制要求，但也限制了能量数量的双向流动。拓扑3消除了正交替和负交替的单相高频脉冲到直流转换链路，输出阶段使用了单相位单三相矩阵变换器直接正交交流单相高频脉冲变成成三相交流电。拓扑结构3是双极矩阵变换器的一般情况下扩展的新型的拓扑结构5|，如图4(C)所示，高频变压器被添加到中间的直流链路中。在本文中，该电路被称为高频链双极矩阵变换器。根据您的应用程序，您可以选择不同的拓扑结构。有三种拓扑结构是相似的它们

28、的控制也有一个共性：对于三个拓扑，有三个阶段单相矩阵变换器可以使用相同的控制策略进行控制，如双极性电流空间矢量调制；拓扑1和2电压源逆变器输送了一个具有正极性的PWM波，但是电压源逆变器使用了常规的电压空间矢量调制来达到所需要的控制的目的；高频链双极矩阵变换器输出电平输入是正负交替高频脉冲，要采纳运用一类新型的控制方法。该论文对于高频链双极矩阵变换器的控制输入电平的控制方法能够使用到拓扑1和2。双级矩阵变换器的拓扑结构如图4-1所示。 图4-1双极矩阵变换器的拓扑结构和双向开关图传统的矩阵变换器的拓扑构造如图4-2所示。 与传统矩阵变换器比较，两级矩阵变换器的具有以下几个优点:（1）整流级电路

29、中能够实现零电流切换； （2）在不一样的约束情况中，双极矩阵变换器使用的开关器件的数目能够较灵活的增减； （3）拥有是单个快速恢复二极管以及电容串联而成的简单集成保护电路。 图4-2常规矩阵变换器的拓扑结构传统的矩阵变换器和双极矩阵变换器一定要遵循下面两条基本原则: （1）任何三相两相输入相电路都不可以短路，防止电源短路导致大的过电压 流量；（2）三相输出相电路中任何一相都不可以开路，防止电阻性负载突然开路导致大的过电压。 2.1.2精简矩阵变换器的拓扑结构下图五展示的则是由RMC、高频变压器，还有二级管全桥流器和LC电路所构成的精简矩阵变换器。图5精简矩阵变换器换流器的拓扑结构拓扑与双级矩阵

30、变换器的整流级相同，由1个（或个 ）所结合起来形成的双向开关组成 。由发电机所转换出来的三相交电流被RMC变换成了正级电流和负级电流相互交合变换的高频脉冲电，这就和固有的换流器里面的A-/正负两级相互转换是一样的。所以要想降低正级负极转换的级数还有控制开关的个数，我们就可以运用RMC来达到效果。众所周知，在进行高频电和滤波器，甚至是变压器等零件传送时，它们的质量以及其所占空间大小的量都会因变压器T1的使用而得到控制，而这些都得归功于它能做到电流和空气分离、提高电压等级以及减少传送过程中的磨耗的功能。要如何才能将这个高频变压器所传达的高频脉冲信号变化成直流电呢？二极管全桥 整流器在这个上面就做的

31、很成功。2.2 高频链矩阵整流器的空间矢量调制 下图表1则是根据上文中描述了的调整策略，从而从其复杂度、功率因数，还有抗干扰性和电压利用率这些因素来进行对比分析这些实践是基于确保电路的运作最重要的以及最大的阻拦因素是高频链矩阵整流器的调制策略。 表 1 不同调制策略比较 调制策略 复杂度电压利用率抗干扰性功率因数基于虚拟整流-逆变PWM 高高弱可调基于绝对值逻辑的SPWM低低弱可调双线电压低高强不可调双极性电流空间矢量中高中可调我们不难表1中看出，在实验中将输入的电流增大，高频链矩阵整流器L的变压器所能测出的电感也会相应上升，此时就可以检测出整流器中所输出的名为NIDC恒定(DC为RMC输出电

32、流脉冲的振幅)的电流，也可以由此判定其中的整流阵整流器L的变压器所能测出的电感也会相应上升，此时就可以检测出整流器中所输出的名为NIDC恒定(IDC为RMC输出电流脉冲的振幅)的电流，也可以由此判定其中的整流器确定为电流高频链矩阵整流器，拥有电流响应速度快，磨耗度不大的特质。矩阵整流器输出直流链路电流为正负交流高频脉冲，如图2所示，合成参考输入相电流矢量需要五个空间向量，五个空间向量是相邻参考相电流所在扇区的两个基本矢量，两个基本向量与零向量相反，由于矩阵整流器输出端的正负极性，因此调制方法称为双极电流空间矢量调制（B-C-SVM）。为何有了双极电流空间矢量调制（B-C-SVM）这一名字呢？主

33、要是因为在矩形整流器中所传出的电流是具有正级负极的性质，详细的来讲就是像图2所表现的一般，只有拥有了四个以上六个以下的空间向量时，合成线路中才会运用相电流矢量，而这些空间向量为距离最近的相电流位于的弧形区间的和零向量完全不同的基本矢量，这样整流器最终才能传达出来的是正负交流高频脉冲。以上的调制策略大概是通过了下面的几点来进行提高：1) 首先是增加了电压使用率以及调制的范围对于计算方法的影响，减少计算方法繁杂程度。要想电流压强的传达比例能够等于或者大于1，以此来极大程度增加电压的使用次数，则要运用正负极电流空间矢量调制提高的计算方法。2) 其次为了确保非对称输入和传输过程中的信号偏差等问题出现时

34、仍然不变，故增加了此计算方法的抵制影响因素的技术。还因此对不稳定的电流压强在集成以及SPWM耦合调制策略计算方法下做到完全抵制的能力进行了测验。3) 再次还通过降低元件开关的磨耗，处理电压通过的最高值等问题，来加快运作的速度。为了控制电压，控制零电压级的效果，还运用了混合脉宽这种方法。4)最后，对各种元件等都进行了改进。不仅降低了交流侧谐波的结果偏差率、降低了阻碍并短路交流信号的滤波器的大小;还降低了直流的输出电压和其滤波器的所占空间大小。图1RMC换流器的拓扑结构图2输入相电流矢量扇区分布和合成图和一个周期中的前二分之一相逆，则是后二分之一的周期能得到电流矢量而去借鉴矢量的正负极性。从式子(

35、4)中分析得出，只有当两个相关量所得到的数值为固定的值时，才能达到后半部分周期组合所要的电流借鉴矢量的通电时间所占总时间的比例和前一部分是完全相同的，因为组合传达电流的空间矢量的通电时间占总时间的比例和它的角度c以及电流调制度mc相关性极高，从而得出了式子d2= d1和d2= d1，还有d02= d01。这个时候，我们就可以看出MR的下半个周期所传达的电流是与前一部分完完全全的正负分级，为DC。 图3矩阵整流器的矢量合成时间、顺序和输出电流 通过有条理、有规划的制定每个矢量的电流通过时间，就能将改动电流时电阻开关的次数减少到最低，来减少其磨损程度。把区域S2作为例子，就能清楚看出，换流器的拓扑

36、结构图中，与开关有关的因素，包括其传达的电流，每个矢量组合所需要的时间和先后次序就像图三所展示出来的，其实所有的开关中，在更换电流时，其中开放、闭合的状态只有两个改变了，而这极大程度上是将其磨损程度减少了。2.2.1双极性电流空间矢量调制原理图5显示了矩阵整流器输入相位电流的向量扇区图。传统的PWM整流器的输出直流电极特性保持不变。只是常规空间向量调制方法。也就是说，使用两个相邻的该部门的基本向量用零向量合成的所需的输入电流向量。M的输出是正负交流高频电。因此。矩阵整流器的空间向量调制方法和而传统的方法则有所不同。它与紧邻可借鉴输入相位电流存在的区域的基本量（这个可以用来帮矩阵整流器传达正极电

37、流，以此来保证整流器中的极性电流的高频电流的运动频率达到平均值），极最终会由正负两级不同的基本向量（这是用来传达电流-Im的）以及五个零矢量因整流器传达出来的极性向量组合传达成为相电流呈现出来阴性质。从而，才有了才有了双极性电流空间矢量调制策略子名。图5矩阵整流器输入相电流空间矢量分部和合成下图则是图5。从图中扇区1不难得出，从三相电源中流过每相负载的电流传入的几个基本向量（表达为Iab、Iac和Iba以及Icb和Iaa）需要借鉴传入的相量来组合。这时，整流器还要在PWM这一周期中传达出电流。方法如下：在前半段，当基本向量起作用时，产生输出电流，输出电流为正。输出电流为零Iout=Im。零向量

38、可以工作。当基本向量的极性与上半部 2.2.2输入级的双极性电流空间矢量可以把高频双级矩阵变换器的三相传入电压假设为以下式子 因而调制出来的三相借鉴的传入相电流是在上面的式子当中：Wi是电流传入的角频率；Uim、Iim分别是其中所需输入相电压和相电流幅值；i则是输入相电压和可供借鉴的输入相电流相位之差。高频链双极矩阵转换器硬性的要求的输入到电平的电流是不能短路的，输出是有相应的限制性的，有且只有9个放开，闭合的组合形式，则表明了两个桥臂之中的互向开关阀门只有一种传导状态。这些状态由空间电压器表示，无论是输入线电压还是基于输出电压的输入水平电压都分为两类：6个非零电压A。（输出电压输入）人线电压

39、）和30矢量Z；（输出电压为零电压）。 2.2.3 输出级的双极性电流空间矢量调制 为了满足开关的最小数量和高频链原理，不能将矩阵转换器的电平输出给中断了，高频链矩阵转换器虽然输出阶段有八个开关组成，相当于每个桥臂的可开可关开关都拥有一个，却只有一个是打开的，每一个开关的系统状态还运用了一个空间向量来表示出来，总归是划分为了两个类别:为20矢量z）其输出的电流全是属于输出线的电流与6个非零的向量A.）其输出的电流属于零电流。A和Z由桥臂的双向开关控制其工作状态的稳定程度。图6阐述的是高频链矩阵变换器的输入级输出的电压、矢量的合成时间和输出级的输出电流以及其顺序 固有的电压PWM固定了传入直流电

40、压正负极性质的大小，用本身需要的传出的电压矢量组合运用两个相临近的基本矢量零矢量，这就是所谓的固有的电压空间矢量的调整控制方法。那么高频链矩转换器传出的过程为什么需要和输出的阶段达到协调一致呢？那是因为它传出的PWM电压、输出的电平输出和个直流电压对应的所有电流得流向的矢量石油正负之分的。举个例子，图中的第一个扇区当中的PWM的周期中的输入级与输出级不是在同一个时间发生的，其中包括了Uiab、Uica和Uiac，甚至还有Uiba，就像图三表示的那样。综上所述我们就可以了解到，高频链矩阵转换器的传出时段与空间矢量调制方法以及固有的办法是及其不同的。这个由最基本的输出线来靠近一个以上基本矢量电流以

41、及电压与两个正负两级不相同的基本矢量（传入负的直流电压的），和零矢量，包括五矢量的事物叫做组合输出电压。因为高频链矩阵转换器的输出输入电压的极性是正负都有的。所以人们就把这个调制策略叫做双极电压空间矢量调制策略(一般简写B-V-SVM)。就像图7所展示的，将扇区1作为例子，合成的输出电压有U6、U1、U3以及U4、U0，要想合成这个就需要运用到Uab，在运用输出二级直流电压Uac来向其输入电压基本向量U6U1与U0，再输入级处输出两次负二级电流电压的时后，基本向量就在进行所谓的空间调制，输出零矢量，图7(b)所示。 图7 输出线电压空间矢量分布和合成2.2.4电流型精简矩阵变换器的双极性空间矢

42、量调制策略电流型 换流器的拥有良好的保护技能、不高的损耗和电压变换率以及迅速的电流响应速度等好的地方，这就是它超越电压型 换流器的原因。就像图7中能看到的，当换流器里变压器二次侧输出电感 达到一定的值时，那么换流器的输出电 流 就能够达到一个固定的数值（表达的是变压器的匝数比，则就是输出电流脉的冲波幅大小），此时，与此同时，换流器就转化成为了电流型 换流器。 原有的电流型变换器（就是所说的电流型脉宽调制（）整流器 等）它们输出的直流电流的正负性是不会变得，所以我们只要能够采用常规空间矢量调制方法，就是运用扇区的两个临近的基本矢量和零矢量来组合我们所需的输入电流矢量，而这就是图表现出来的输入的相

43、电流空间矢量的扇区图。但是由于电流型 输出的是正负交变了的高频脉冲电，所以，我们可以知道电流型 的空间 矢量调制法和我们常规运用的常规法是由很大的不同的。这个调制方法是参考输入了相电流其在的扇区相邻的个基本矢量（就是用作输出正脉冲电流）以及与之正负性相反的个基本矢量（就是用作来输出负脉的冲电流）还有零矢量（一共就有个矢量）来组成输入相电流，然而因为电流型 的输出极性是具有正负之分的，所以就把这个调制策略叫做 策 略。如图7所示，以 扇区为例，可由Ia，和共个基本矢量 来合成参考输入相电流。 图7中：，一起组成了这个基本的矢量；就是扇区号表示；，和与他们合成任意的一个参输入相电流矢量都可以成为

44、这个任意一个扇区的一个基本矢量；称之为参考输入相电流矢量和两之间的一个夹角；和，以及他们分别都可以作为，对应的占空比。2.3 高频链矩阵整流器的换流策略换流是指将电流从一个分支传输到另一个分支的过程。换流的安全性决定它是否可以正常工作，也是测量换流损失（电压幅下降、电流失真、相移、噪声、转矩波纹）的重要依据，也是测量换流损失的重要依据。约束条件是输出线连续的，输入线电压不短路。与传统的矩阵变换器一样，高频链矩阵整流器可以采用死区变换器、重叠变换器、辅助谐振变换器、二步变换器和四步变换器。由于前三种换流策略不安全或不实用，两步换流和四步换流更为常用。2.3.1两步换流要是需要在一个要通过的双向开

45、关里面，打开通过这一个不得不打开的开关，但是另外的单方面的，这个就是Svensson.T当时作为最早提出人的一个名叫两步换流策略。在一些情况中，两输入相间需要进行必要换流的时候，在必要开通的双向开关中只打开不得不打开的单向开关，但是也要保证其他的一个单向的开关是在关闭了的状态，最后将上一个是打开状态的双向开关里面没有打开的单向开关关死。 就运用双向开关，此处运用图2(a)中的结构来作为例子，以此来对这次换流运用做出 说明即可，此处可以依据图5。表示 Sbp+和 Sbn+导通了的电压就是ubb+； 表示 Sap+和 Sbn+导通了的电压就是uab+。用来表示 Sap+与 Scn+ 导通了的电压则

46、是uac+。详细的过程在下面列举了出来：1）从 ubb+换流换到 uab+程序如下。 首先使动 Sap+，因为输入的相电压为 uaub，所以电流就自然而然的换流到 Sap+。 将 Sbp+关闭，这个时候的电流就已经转换换流到了 Sap+，因此Sbp+就已经达到了间接关断。 2）将 uab+换流到 uac+过程。 首先就是导动 Scn+，在输入相电压 ubuc之后，就可以将电流自然而然的转换换流到Scn+，不然的话它还是会从 Sbn+流过，相当于是没有效果的。 将 Sbn+彻底关断，要是得到的结果是 ubuc，那么就表明这个电流已经换流至到了Scn+了，从而Sbn+就达到了间接关断，要不然电流就

47、会被迫换流到 Scn+。 以上的两个换流策略，基本上二分之一是达到了软关断的，与此同时也有另外的二分之一的纪律是自然的顺应换流的，所以的话这种换流又有了半软两步换流与半自然两步换流这一称呼。除此之外，要想把这个直接简单化为一部换流策略，那么就可以通过把开关关断的时间延长至遥远的超过开关的导通时间，然后将开关导通与关断结合成为一步。2.3.2四步换流将每一次换流达到一次是零电流并且零电压的关断以及有一次是零电流的导通，这就是N.Burany 他所提出的四步换流，而这个是完全属于半软开关的换流。要是和两步换流作比较的话，它在所有的要导通 的双向开关流程中，它只用导通不得不导通的一些单向开关，但是却

48、不用导通另外的单向开关；四步换流策略只要在要导通的双向开关里面，这些双向开关的 2个开关都是会被导通。接下来是我对导流过程的详细举例子说明。 Sap+和Sap- 以及 San+、San-全部导通了的电压被表示为uaa 。uab就是表示了 Sap+和Sap-以及 Sbn+、 Sbn-都导通了的电压。具体的从 uaa换流到 uab 的经过如下所述： 1）将 Sbn-给开通之后，得到的结果就是uaub，那就是这次换流是没有电源短路的基本危险的。 2）关闭了 San-之后，这个时候的 Sbn-已经开通了，因此不管变压器的初级电流是不是与我们参考的方向就是一样的了，它都已经拥有了此次实践的电流的基本流通

49、的路线。 3）打开了Sbn+之后，这个时候的 San-是已经被关断了的，完全杜绝了电源侧短路的危险了。 4）在San+关闭了之后，换流就已经结束，换流策略的选择会完全的被高频链矩阵整流器的任何一个调制策略给打扰到。电流与电压换流就是由我们经常运用的两步与四步换流就可以所分割的。由于电流型变流器其本身的成本是比较高的，所以变流器的可行性通常被繁琐的检测电路所改变。由于电压换流的基本所需要的成本是比较低的，所以它能够被允许在负载较轻和没有负载的情况下运作的，但是在电压已经闭合了的时候，换流所需要的技术一般要求到时比较高的。这一次的经过叙述不仅将以功率磨损为基本的换流策略进行了比较，还仔细的解说了这

50、四步换流策略的详细过程。讨论了换流延时引起的波形失真情况，还主张出了换流会出现的延长实践的可能性的可行性方案。已经提出了的两步换流策略基本达到了功率所需要的密度和可行性的最中优化。总而言之，对于高可靠性、低损耗以及低成本的安全换流模式的钻研会直接作用于高频链式矩阵整流器的商业化过程。 图8里面展示的是矩阵整流器输出的电压波形以及各基本矢量作用时间和顺序在每个开关周期内高频链矩阵整流器的详细内容。由图可知，Vtbl+和Vtb2+所导通的电压仅仅只有这个Ubb+可以表示出来； 而Uab+则只是对于VTal+以及VTb2+所能导通的电压的展示；VTal+ 和Vte2+所导通的电压是被Uac+来展示出

51、来的；而Uaa+也仅仅知识表明了VTal+和VTal2+导通的电压；另外的也可以依照这些推论出来。 图8高频链矩阵整流器的输出电压、矢量合成时间和顺序 开关和一步组合要大得多，因此进一步简化为一步换流策略。一种新的两步换流策略直接计算了数字双极空间矢量调制策略的方向，消除了附加的电压/电流硬件检测电路，并通过数字信号处理器提高了换流策略的可靠性。降低成本，判断情况不难，适合整个流量间隔。同时，通过合理地分配每个向量的动作时间，可以确保每个向量只需要两个单向开关。无需辅助开关即可完成安全交换。因此，新的两步转换策略减少了转换步骤。实现了减少开关动作次数、开关时间和开关损耗的目的。2.4 本章小结

52、 通过以上的探讨，由于高频链矩阵整流器的装置在极大的承受范围内还能够满足单位的功率因数，不仅仅节约了整个结构总线的容量，使其达到结构紧密的效果，还能够电流双向流动，满足实际中的四限运行，这个石油特别大的深究深度和运用的未来景象的。高频链矩阵矩器是一种体积较小、转换条件系列低、重量轻、以及可倚靠性较高的一种新类型的型电子转换器。这一个章节不仅深度研究了顶学电路与双极空间矢量之间的调制策略，还表明在借鉴输入电流矢量的预测和控制算法的根本上，设立了如今高频链矩阵的一个校正系统模型。这个预测算法拥有了对比度小和开关频率固定以及实践出结果的效率高的优点，实现了高频链矩阵的正因子、单位功率因数和直流输入电

53、流。第3章 高频链矩阵整流器的控制策略3.1高频链矩阵整流器的控制方法 间接电流控制与直接电流控制是构成高频链矩阵整流器网侧电流控制策略的基本要素。直接电流不仅控制性能很优良，而且他的电流还能够超快的跟上定值随时的改变，者对于主回路的参数的稳健性极好。间接电流控制适合用在控制灵敏度要求比较低的地方，应为它不容易受到主电路参数变化的影响，但是它实施起来相当的简单。这个文章是用图1（a）来作为例子进行详细说明的。3.1.2间接电流控制 要想的到一个电流的一个已经给定了的值I*，就需要把输出电压给定的值Uo*和检测值Uo之间做对比。最后再对这个电流检测值I和在就给了定值的I*两个一起做了比较之后，就

54、可以从PI控制器里面得到了和其他要素相互对应的一个调制比m。最后的最后可以极好的得到和脉冲触发信号相对应的东西由此就可以达到对于输出电压的控制，就和图10 展示的一般。电流流控制的实质是对网络电流实现无接触的掌控，但是呢这个办法就是比较容易被主电路的参数影响，如果低谐波的含量有极大幅度的上涨，那就就会极大的影响到网络侧电流，最后展示形式可能就是维稳性差还有动态性能变化大等。但是在类似于感应加热之类的工业范围，通过简简单单的直流控制特性和网侧单元功率因数来操控其做出改变，就已经可以达到该工程的基本需要了。图10间接电流控制框图3.1.2直接电流控制 像图11当中的直流电是运用的双闭环控制，外环就

55、是采用的另一种方式，直流电控制，这些方法都是为了对已经给定了的输出电压Uo*与Uo进行对比，以此来达到低纹波直流电压稳定控制的效果，当然，其中还是采用了调整控制器以此得出d轴电流（有功电流）的给定值isd*。在它作为一个单位功率因数的时候，q轴出的定值是q*=0。通过PI控制器弄出dq轴电流的给定值和检验它和isd、isq值之间差的值的大小，以此形成脉冲触发信号，来叨叨对电路的控制。这就相当于是间接队电流进行控制，而且的话直流电流的掌控还使内环电流能够迅速的赶上给定值产生的变化。图11直接电流控制框图直流控制具备较好掌控能力，而且的话电流反应迅速对主电路的参数具有很好的稳健性。应为对检测网络侧电流的需求时常是特别高的，所以对于这方面的掌控就会显得更加繁杂、珍贵，所以这个一般是比较适合装备主动性高且无功率独立控制的高精度使用。3.1 数学模型3.2 无源控制器的设计3.2.1电流内环无源控制器的设计 确定该这个系统所希望的平衡点是什么直流电压是已经被给定电压DCR和uDCR 3Um（Um为相电压幅值）的，因而在其三相电压型PWM整流器系统稳健运作之时，所被希望的功率因数1。将dq坐标系里的d轴和电网电动势的矢量 Udq重合，那么就能得出电网电动势矢量q轴分量uq = 0。则可以为此设计提供较好的方便。所以设期望稳定平衡点是 x*1 = i*d x*2 = i*q =