【《双向开关四步换流策略综述》2100字】

双向开关四步换流策略综述在传统的交-直-交变流器中，由于存在自然的续流通道，所以不需要换流策略，但是在矩阵变换器中不存在自然的续流通道，所以需要相应的换流策略来避免相与相之间会出现输入侧短路和输出侧开路的现象[REF_Ref69393174\r\h41]。理论上来说，开关器件如果可以瞬时开通和关断，则不需要换流策略，但是在实际运行中，由于驱动信号的延迟、开关动作时间的差异、同一产品制造工艺的不同等都会造成两个开关不能同时动作，为了能让变流器在工作中正常的运行，安全的换流策略至关重要。如图2-14所示，双向开关包含4个IGBT，所以必须多步才能完成换流，本文将在下面分别说明电流型四步换流和电压型四步换流策略，并给出电流型四步换流的具体实现方法。图2-14连接同一输出项的两个双向开关之间换流(1)电流型四步换流三相-单相矩阵变换器的每个输出端都连接着3个双向开关，而这3个双向开关任意时刻只有一个开通，剩下两个关闭，因此换流只会发生在两个双向开关之间，如图2-14所示，Ua和Ub代表此时a和b相的输入电压，双向开关S1包含两个开关S1n和S1p，双向开关S2包含两个开关S2n和S2p，io表示输出电流，定义当io方向从左往右时为io>0，从右往左时io<0。假设此时输出电流由a相电源提供，现在要把电流从a相换到b相，下面就io>0时详细说明换流步骤，如图2-15(a)所示：(a)io>0时的换流步骤(b)io<0时的换流步骤图2-15电流型四步换流步骤第一步，此时电流从S1n流过，关断开关S1p。第二步，开通开关S2n，如果此时Ua>Ub，那么开关S2n依然不会导通，电流依旧从开关S1n流过，如果Ua<Ub，那么开关S2n导通，电流从a相换至b相，开关S1n截止。第三步，关断开关S1n，如果上一步电流仍从a相流过，这一次将强迫电流换至b相。第四步，开通开关S2p，至此换流结束，开关S2已经被全部开通。同理，当io<0时，其换流步骤如上图2-15(b)所示。从上面的换流步骤图可以看到，每一步换流之间相差时间间隔Δt，以防止开关动作延时导致换流失败，所以需要一定的缓冲时间。第二步中，如果电流自然换至b相，我们称这种换流为自然换流，如果电流是在第三步从a相换至b相，我们称为强迫换流，电流型四步换流不需要知道输入电压的大小，只需要知道输出电流的方向，所以在实际换流操作中，只需安装电流传感器即可。在换流的第一步和第四步中，开关S2n和S2p是0电流或者0电压开通关断，所以几乎没有开关损耗。第一步是换流的准备，第四步是换流的结束。(2)电压型四步换流与电流型四步换流相比，电压型四步换流需要知道输入电压的大小而不需要知道电流的方向，换流步骤如图2-16所示，下面就详细的说明电压型四步换流的步骤。假设此时电流从双向开关S1流过，且Ua>Ub，此时电流的方向未知，现在要把电流从a相换至b相。(a)Ua>Ub时的换流步骤(b)Ua<Ub时的换流步骤图2-16电压型四步换流步骤第一步，首先开通S2n，此时并不知道电流的方向，所以不能关断开关S1，又因为电压Ua>Ub，所以开关S2n并没有导通，不会发生短路，电流仍由a相提供。第二步，断开开关S1n，如果此时io>0，那么电流将强迫换至b相，如果io<0，电流仍从开关S1p流过。第三步，开通开关S2p，如果上一步没有换相，那么这一步电流将从开关S2p流过。第四步，关断开关S1p，此时开关S2已经被完全打开，至此换流结束，为下一次换流做准备。同理，当Ua<Ub时，换流步骤如图2-16(b)所示。两种四步换流步骤都需要时间间隔3Δt，如果PWM脉冲周期小于3Δt，可能会发生两次开关信号重叠，使输入输出波形发生畸变，甚至可能换相失败，产生短路，出现电流过尖峰，导致设备损坏。理想状况下，换流是瞬间完成的，所以尽可能的降低换流时间，将影响降到最低。电流型四步换流需要检测输出电流的方向，一般采用霍尔传感器来直接检测电流的方向。电压型四步换流是根据输入电压的大小来进行换流，可以采用霍尔传感器或变压器得到输入电压的大小，所需要的传感器较多，导致成本有所上升，电流型四步换流策略提出的最早，应用的最为广泛，是其他换流策略的基础，已经成功用于各种矩阵变换器的样机中[REF_Ref69393443\r\h42]。但是这两种方法都存在一些问题，当输出电流接近于0的时候，难以判断电流的方向，采用电流型四步换流可能失败，同样当两相输入电压大小相接近时，难以判断输入电压的大小，采用电压型四步换流可能失败，所以在实际应用中，会在这些关键点设置一个较小的换流死区，即在这些点不发生换流。本文后续仿真中选择电流型四步换流策略。以三相-单相矩阵变换器输出端p所连接的三个开关为例，我们只要知道其中两个开关信号就可以就可以知道剩下一个的开关信号，所以比较任意两个开关前后时刻的状态就能知道哪两相需要换流，如图2-17所示，将开关信号S1、S2送入D触发器(在仿真中用Memory模块代替)，由S1开关信号得到Sa、Sb，由S2得到Sc、Sd，分别比较Sa和Sb、Sc和Sd的状态，就能确定是否进行换流。例如当Sa≠Sb、Sc≠Sd时，说明此时a相和b相要进行换流，如果Sa=Sb、Sc=Sd时，说明不需要换流。图2-17换流判断方法采用电流型四步换流时，三相-单相矩阵变换器一个输出端的换流有13种情况，开关信号S1、S2对应所有的换流情况如表2-2所示。将所有的换流情况存储在存储器中，根据每一种换流情况得到相应的换流步骤，减小了换流所需的计算量。表2-2换流策略码SaSbSc