[发明专利]一种降低矩阵变换器开关损耗的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种降低矩阵变换器的开关损耗的方法。

背景技术

三相矩阵变换器由9个双向功率开关按照3×3开关矩阵形式组合而成，如图1所示。其中S_ij(i＝a，b，c；j＝A，B，C)表示一个双向功率开关，每个双向功率开关由两个具有反并联二极管的绝缘栅极双级晶体管(IGBT)采用“共发射极”结构构成，也可以由两个反并联的逆阻型IGBT采用“共发射极”结构构成。矩阵变换器的输入侧为三相电网电压，分别用u_a，u_b，u_c表示，在矩阵变换器和电网之间接有输入滤波器。矩阵变换器的输出侧分别用A，B，C表示，通常接交流电机或者感性负载设备。通过对9个双向功率开关通断控制，可以实现幅值和频率均可变化的输出电压。

9个双向功率开关通断变化可以产生27种开关状态，通常用3个一组的字母表示。如：abb，表示矩阵变换器的输出A相通过双向功率开关S_aA与输入a相连接，输出B相通过双向功率开关S_bB与输入b相连接，输出C相通过双向功率开关S_bC与输入b相连接。27个开关状态对应产生24个有效矢量开关状态和3个零矢量开关状态。

根据空间矢量调制法的基本原理，由输入电流矢量区间和期望输出电压矢量区间，可以确定每个调制周期中的4个有效矢量开关状态、3个零矢量开关状态以及相对应的作用时间T₁、T₂、T₃、T₄、T₀₁、T₀₂、T₀₃，进而控制9个双向功率开关的导通和关断，实现对矩阵变换器的控制。其中，4个有效矢量开关状态的调制顺序按照开关切换次数最少来安排；而3个零矢量的选择和调制顺序可以根据消除窄脉冲的原则来安排。具体消除窄脉冲的原则可以参见林桦等人于2009年申请的专利(申请号200910063082.3)“一种减小矩阵变换器窄脉冲现象的空间矢量调制方法”，该方法不属于本发明的范围。

矩阵变换器的输出电压矢量区间和输入电流矢量区间的划分如图2所示。以输出电压矢量和输入电流矢量均在1区间为例，采用双边调制时的调制顺序为：bbb-abb-aab-aaa-aac-acc-ccc-acc-aac-aaa-aab-abb-bbb，如图3a所示。7种开关状态的作用时间之和为调制周期T_s，它们将整个T_s纵向切割。而当矩阵变换器在每个调制周期T_s内进行开关状态切换时，对于每一个输出相来说，均是按照一定的规律按时段依次连接不同的输入相电压。从每个输出相上看，输出每相连接到输入三相的顺序均为u_b→u_a→u_c→u_a→u_b，只是每个输出相连接输入相的时间各不相同，这些时间为各个输出相从横向观察的作用时间，T_aA、T_bA、T_cA、T_aB、T_bB、T_cB、T_aC、T_bC、T_cC，共计9个，如图3b所示。

由于输出电压在输入电压之间选择、切换，不可避免的会带来开关损耗。半导体开关器件在开通和关断过程中其集电极电压、电流的升降过程是十分复杂的，在分析中通常近似地认为按照线性规律变化。通常IGBT的开通和关断损耗为其通态电流和断态c-e极端电压乘积的函数。在硬开关模式下，单管单次开通损耗能量E_on和关断损耗能量E_off分别为：

E_on＝U_{ce_off}I_ont_on/2

E_off＝U_{ce_off}I_ont_off/2

上式中，U_{ce_off}分别为IGBT处于断态时的电压，I_on为IGBT处于通态时的电流，t_on和t_off分别为开通和关断时间。