基于buck電路的矩陣變換器策略的改進

魏萍，魏浩

(南昌大學信息工程學院，江西南昌330031)

基于buck電路的矩陣變換器策略的改進

魏萍，魏浩

(南昌大學信息工程學院，江西南昌330031)

基于buck電路矩陣變換器的控制策略，動作響應快，具有一定的抗干擾性，而矩陣變換器的缺點是電壓傳輸比低。在此基礎上對其進行改進，在矩陣變換器前端加入z源網絡，通過控制占空比和調制系數起到buck-boost的作用，提高矩陣變換器的電壓傳輸比。介紹了該方法的數學規則，給出對應開關管的占空比系數的數學表達式。通過Matlab/Simulink軟件建立矩陣變換器的數學仿真模型，驗證了這一改進的正確性和可行性。

矩陣變換器；z源網絡；升降壓；Simulink仿真

矩陣變換器(MC)在工業領域具有廣泛應用，非常適合應用于對裝置體積、質量要求較高的場合以及微電網與傳統電網并網時低諧波要求的應用場合。而矩陣變換器的缺點是電壓傳輸比低。本文在此基礎上對其進行改進，在矩陣變換器前端加入z源網絡，通過控制占空比和調制系數起到buck-boost的作用，提高矩陣變換器的電壓傳輸比。

1 基于buck電路的矩陣變換器策略

文獻[1-2]提出了一種基于buck電路的矩陣變換器控制策略。傳統的直流降壓斬波電路(DC/DC buck)如圖1(a)所示，VT為可控制通斷的IGBT管，VD為普通二極管，提供續流通道和阻止反向電壓。根據上述拓撲，用背靠背共集電極的兩個IGBT管來代替原來的主開關管VT和續流二極管VD，變換后的斬波電路如圖1(b)所示。在AN兩端通入正弦交流電，該電路的調制方式采用SPWM控制。當通入的正弦電為上半波形時，即AN>0，VD2和VT2導通，進行斬波，VD3和VT3導通，進行續流，而VT1和VT4始終關斷。這樣加在負載兩端的電壓為正弦電壓的正半周期，流過負載的電流就為正弦交流電的正半周期(假設圖中箭頭所指方向為正)。同理當UAN<0時，VD1和VT1導通，進行斬波，VD4和VT4導通，進行續流，而VT2和VT3始終關斷，這樣加在負載兩端的電壓為正弦電壓的負半周期，流過負載的電流就為正弦交流電的負半周期。基于以上工作過程對該電路采用適當的控制方法，就可以得到期望輸出頻率的負載電流。控制過程為：當期望的輸出電流為正時，導通VT2、VT3，使輸入電壓AN>0；當期望的輸出電流為負時，導通VT1、VT4，使輸入電壓AN<0。

圖1 直流降壓斬波電路

對于三相輸入電壓，把圖1(b)中的輸入相增至三相，則可組成如圖2(a)所示的結構。

倘若采用雙極性控制，去掉負載旁邊的續流回路就得到如圖2(b)所示的結構。其控制原理為：當期望輸出的電流為正半周期時，比較三相電壓，如果哪相的電壓最高，則該相的IGBT管導通，進行斬波，與此同時，哪相的電壓最低，則該相的IGBT管導通，進行續流。假設在某一時刻期望輸出電流為正，此時a相電壓最高，c相電壓最低，則開關管VT2導通，進行斬波，同時VT6導通，進行續流。由于每一相上的開關管都是雙向可控開關管，可以簡化為圖2(c)所示結構，三相的開關管用SAa，SAb，SAc表示，這就構成了典型的三相-單相矩陣式變換的拓撲結構。其電路的工作原理就是利用電網相電壓的包絡線進行斬波和續流，得到期望輸出頻率的正弦交流電[1-2]。

圖2 三相-單相MC拓撲結構

2 基于buck電路的矩陣變換器控制策略的改進

將矩陣變換器主拓撲采用上述DC/DC電路的模型，但在電源與MC之間加入z源網絡，如圖3所示。

圖3 加入z源網絡后的buck電路模型MC

z源網絡加入了6個電感La1,La2,Lb1,Lb2,Lc1,Lc2，6個電容Ca1,Ca2,Cb1,Cb2Cc1,Cc2以及3個換向開關Sa,Sb,Sc，通過一個門極信號來控制額外的三個開關。Sa,Sb,Sc三個開關的驅動信號可以記作S。z源網絡能夠工作在buck和boost模式下，使MC獲得高的電壓傳輸比。

3 新buck電路策略的數學模型

z源網絡有兩種工作狀態：直通和關閉狀態。其等值電路如圖4所示。

在直通狀態時，如圖4(a)，開關S斷開，z源網絡的MC輸出是短路的，此時起到升壓作用(boost)。在非直通狀態時，如圖4(b)所示，此時的等值電路應對普通狀態。

圖4 加入z源網絡后的buck電路模型MC等值電路

根據系統的對稱性，z源網絡的電感La1,La2,Lb1,Lb2,Lc1,Lc2具有相同的電感值，電容Ca1,Ca2,Cb1,Cb2Cc1,Cc2也具有相同的電容量。

在一個周期s內，直通狀態時間為0，非直通時間為1，直通占空比為=0/。在非直通狀態時，有如下的狀態空間方程：

在直通狀態期間，S關閉，可以得到：

從式(1)和式(2)得到平均狀態方程：

平均電感電壓和平均電容電流在一個開關周期中應該為0，因此可以得到：

因此，在一個周期內，可以得到z源網絡的電壓增益：式中：為矩陣變換器的調制系數。通過選擇合適的調制系數來提高電壓增益，使電壓增益接近甚至高于1。

4 仿真與實驗

仿真參數如下：輸入電源電壓幅值220 V，=50 Hz，z源網絡=0.1 mH，=10μF，開關頻率10 kHz；負載電阻10Ω，電感0.01 mH。

仿真模型主要由四大部分組成：第一部分為三相電源；第二部分為z源網絡；第三部分為MC及其控制電路，包括開關狀態產生模塊、PWM信號發生模塊、控制邏輯信號產生模塊、單向開關控制信號產生模塊；第四部分為阻感型負載。其仿真框圖如圖5所示。

圖6(a)所示為未接入z源網絡時的輸出線電壓，圖6(b)為加入z源網絡之后的輸出線電壓波形。從圖6中可以看出有源電力濾波器之前的三相電源電壓和電流波形。加入z源網絡之后，電壓增益可達到1.125。

5 結論

基于buck電路的矩陣式變換器，采用電流滯環控制策略的三相-單相矩陣式變換器輸出的電流波形較好，即諧波含量較少，但存在電壓傳輸低的缺點。本文提出的加入z源網絡buck電路模型的矩陣變換器，能夠克服原有策略電壓傳輸比低的弱點。仿真結果表明，此控制程序簡單，能利用工業控制達到迅速響應的目的，而且具有一定的抗干擾性。

圖5 加入z源網絡后buck電路模型MC策略仿真

圖6 MC輸出線電壓波形

[1]魏萍，鄒德瓊.基于Buck電路的矩陣式變換器[J].電源技術，2013，37：1658-1660.

[2]韓斌.矩陣式變換器控制策略及其計算機仿真研究[D].合肥：合肥工業大學，2007：23-27.

Z-source matrix converter based on buck circuit

WEI Ping,WEI Hao

A new matrix converter conrtrol strategy was proposed based on buck circuit.Compared with Venturini direct function transformation and space vector modulation method,its advantages were fast response,and the system was capable of anti-interference,but still had the main drawback of low voltagetransfor ratio.This did some improvement to the above strategy by join z-source network to the topo.Buck-boost function by conrtolling shoot-through duty ratio and modulation index were provided by z-source network to overcome the above shortcomings.The math principle and bi-directal switch math expression were analyzed in detail.Finally,adopting Matlab/Simulink simulation, simulation results show that the theoretical analysis of the control strategy is correct and feasible.

MC;z-source network;buck-boost;Simulink simulation

TM 4

A

1002-087 X(2015)03-0591-03

2014-08-24

魏萍(1962—)，男，江西省人，副教授，碩士生導師，主要研究方向為電力電子裝置設計及其應用技術、特種電源。