基于DSP+CPLD的双级矩阵变换器双空间矢量调制策略实现*

宋卫章，钟彦儒，李 洁，魏西平

(西安理工大学 自动化与信息工程学院，陕西 西安710048)

传统AC-DC/AC-DC-AC变换器采用含储能电容的不可控二极管整流，这种变换器的成熟推广，为电源、传动等领域赢得了可观的效益，但也带来了谐波污染、功率因数低、直流滤波电容寿命短、不便于集成等负面影响[1-2]，因此谐波干扰给电网造成的公害越来越受到重视。1992年日本发表了一项关于谐波源分布的调查报告，指出最大的谐波源为不控整流电源，占整个谐波源的70%以上[2]。于是，研究一种对电网无谐波污染的“绿色”电源变换器已势在必行。

为了解决上述问题，本文研究了一种具有全新拓扑结构的双级矩阵变换器(TSMC)，它不仅具有与传统电源变换器相同的输出性能，而且对电网无谐波污染、功率密度高、寿命长[3-5]。

目前，国内对TSMC的研究还处于起步阶段，又因受双向开关器件及其驱动和所需驱动信号路数较多、较难生成等问题的限制，已有的研究也基本上只停留在仿真阶段。为此，本文推导了TSMC的双空间矢量调制策略，分析了零电流换流原理，并给出了一种整流逆变协调换流的实现方法。采用了一种基于DSP+CPLD的TSMC实现方案，实验结果表明，该方案不仅具有优良的输出性能，同时还可以满足日益严格的电网电能质量要求。

1 双级矩阵变换器拓扑结构

将电网三相正弦电压转换成频率和幅值可变的交流正弦输出，TSMC由3部分组成：输入滤波器、可控整流级和逆变级，其拓扑结构如图1所示。如想获得直流输出，则只需在TSMC整流级后接入高频变压器和整流滤波电路即可，见参考文献[6]。

2 双级矩阵变换器的双空间矢量调制策略

2.1 整流级的空间矢量调制策略

为了使输入电流为正弦波、功率因数为1且使直流侧平均电压为直流，整流级采用电流型空间矢量调制策略。由 6个有效空间矢量 I1～I6和 3个零矢量组成，如图2(a)所示，括号里的2个字母表示输入相与直流母线p、n极之间的通断状态，如ac表示连接a相与直流 p极的开关导通以及连接c相与直流n极的开关导通。零矢量表示整流级上下开关均导通，此时直流侧输出电压为零。

图1 双级矩阵变换器拓扑结构

设Ii为参考输入电流矢量，可由其所在扇区相邻2个有效空间矢量 Iδ、Iγ及零矢量 I0合成，如图2(b)所示，设 dδ、dγ和 d0R分别为 Iδ、Iγ和 I0的占空比，则：

图2 整流级电流空间矢量调制

由图2(b)可得整流级开关占空比公式为：

式中 mi=|Ii|/Idc为电流调制系数，且 0≤mi≤1

设三相网侧电压为：

开关频率很高时，不计高频谐波影响，TSMC整流级低频开关函数Trec为：

式中φi为输入功率因数设置角。

以第1扇区为例，根据有效空间矢量对应的开关状态，可以得在1个PWM周期内直流平均电压为：

以其他扇区为例也可得到同样的表达式，因此，TSMC整流级采用有零矢量空间矢量调制策略。在输入电压幅值、调制系数和输入功率因数角不变的情况下，直流侧平均电压为常量，这也是这种调制策略独特的优点。因此，在此整流级供电下的TSMC逆变级调制因子无需补偿，为逆变级进一步进行高性能控制提供了可能。同时在此整流级后增设滤波电路取代逆变级便可得到直流输出，实现具有高功率因数并对电网无谐波污染的AC/DC变换，因此特别适用于对电网谐波有特定要求的充电场合[6]。

2.2 逆变级的空间矢量调制策略

逆变级的结构与传统逆变器一样，故可采用性能优良的电压空间矢量调制策略。同样由6个有效空间矢量V1～V6和2个零矢量组成，如图3(a)所示。输出电压矢量Vo可由其相邻有效空间矢量Vα、Vβ和零矢量合成。由图3(b)根据正弦定理可得Vα、Vβ和零矢量的占空比公式为：

式中，θo*为 Vo与 Vα之间夹角，mo为逆变级调制系数。

图3 逆变级电压空间矢量合成

由于整流级每个区间直流侧输出电压分为3段，如在区间2中,直流侧电压分别为：uac、ubc和零电压，因此逆变级可视为 uac、ubc和零电压分别供电的电压源逆变器。 同理，在1个周期中，逆变级可 视为 uab、uac、ubc、uba、uca、ucb和零电压分别供电的电压源逆变器，零电压分布在各电压之间从而使直流侧平均电压为恒定直流。

3 双级矩阵变换器的换流

由于输入接滤波电容，故网侧三相任意二相不能短路，又由于变换器带阻感负载，整流级无自动换流通路，需保证输入三相任意二相不能开路。在整流级中加死区可以解决任意二相不能短路的问题，整流与逆变级的协调换流可以解决带感性负载时的换流问题。

为了减小开关损耗，整流级采用零电流换流，即逆变级输出零电压矢量，迫使直流端输出开路时，整流级开关在零电流状态下切换，从而实现零电流换流。其具体实现原则是使逆变级的零矢量时该处于整流级开关切换处，即使逆变级的零矢量时刻追踪整流级开关切换点，保证整流级零电流换流实现软开关切换。1个开关周期内PWM调制过程及零电流换流实现过程如图4所示。

图41 个开关周期内PWM调制过程

4 系统实现

输入滤波器和可控整流级确保输入电流为正弦波且输入功率因数可控，逆变级在驱动信号作用下将整流级输出的PWM直流电压变为频率幅值可调的交流电供给负载。图5(a)所示为系统结构框图。

依据TSMC调制策略，将输入三相电压瞬时值经信号调理、采样送给DSP，同时将其相位信息送给CPLD。DSP依据采样信号的幅值和相位信息计算出整流和逆变级的占空比，然后送入CPLD并根据输入电压的扇区信息对DSP输出整流级部分触发脉冲进行逻辑分配，从而得到整流级6路独立的触发信号，并结合DSP的输出最终得到TSMC 9路独立的触发信号。这样可以减轻DSP的负担，使DSP有充足的时间进行数据处理。利用CPLD生成整流级驱动信号的时序图如图5(b)所示。

程序采用前/后台模式，即主程序为超循环结构，主要完成各种初始化和设置等实时性要求不高的部分，而对占空比计算等实时性要求高的部分放在中断子程序中执行。图5(c)所示为DSP控制软件流程图。

图5 系统软硬件框图

5 实验结果

为了验证理论推导的正确性，制作了1台基于DSP+CPLD的TSMC实验样机。实验条件如表1所示。

由实验结果可知，输入电流为谐波含量较少的正弦波,且输入接近单位功率因数,因为输入滤波电容的原因,输入电流相位稍超前电压。从而证实了TSMC是一种对电网几乎无谐波污染的”绿色"电源变换器。图6为输入相电压和滤波后的输入相电流波形。

因整流级采用有零矢量空间矢量调制策略，且直流侧无电容，故直流侧电压为脉动的PWM波，且极性保持为正，但其平均值为常量。图7所示为直流侧电压实验波形。

表1 实验实件

图6 输入相电压和相电流波形

图7 直流侧电压波形

图8 输出设置为(10/25/50Hz)时输出滤波前后相电压波形

由实验结果可知，在不同频率下滤波后输出相电压正弦度均较好，谐波含量较少，从而验证了TSMC具有优良的输出性能。图8(a)～图8(c)分别为输出频率设定为 10 Hz、25 Hz和50 Hz时，输出滤波前后相电压波形。

本文研究了一种具有同传统AC-DC-AC电源变换器相同的输出性能，并能克服其不足之处的TSMC，推导了其调制策略，分析了零电流换流原理，搭建了以DSP+CPLD为内核的硬件电路，对调制策略进行了实验验证。结果表明，TSMC输入输出均为正弦波，且输入可实现单位功率因数，进而证实了双级矩阵变换器不仅具有优良的输出性能，同时还可以满足日益严格的电网电能质量要求，为工业化应用奠定了基础。

[1]JUSSILA M，SALO M，TUUSA H.Realization of a threephase indirect matrix converter with an indirect vector modulation method[C].Proceeding of 34th IEEE applied power electronics conference(PESC 2003)，Acapulco，Mexico，2003.

[2]MALESANI L M，ROSSETTO L，TENTJ P，et al.AC/DC/AC PWM converter with reduced energy storage in the DC link[J]，IEEE Trans.on Ind.Applications，1995，31(2)：287-292.

[3]WEI L，LIPO T A.A novel matrix converter topology with simple commutation[C].Proceeding of 36th IEEE Industry ApplicationsSociety Conference(IAS 2001)，chicago，USA，2001.

[4]KOLAR J，BAUMANN M，SCHAFMEISTER F，et al.Novel three-phase AC-DC-AC sparse matrix converter[C].Proceeding of 17th IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition(APEC 2002)，Dallas，USA，2002.

[5]WEI L，LIPO T A.Matrix converter topologies with reduced number of switches[C].IEEE 33rd Annual Power Electronics SpecialistsConference(PESC 2002)，Australia：57-63.

[6]刘正耀，郭慧萍.一种基于矩阵变换器的充电机的研究[J].电子技术应用，2008，34(2)：72-78.