基于buck电路的矩阵变换器策略的改进

魏萍，魏浩

(南昌大学信息工程学院，江西南昌330031)

基于buck电路的矩阵变换器策略的改进

魏萍，魏浩

(南昌大学信息工程学院，江西南昌330031)

基于buck电路矩阵变换器的控制策略，动作响应快，具有一定的抗干扰性，而矩阵变换器的缺点是电压传输比低。在此基础上对其进行改进，在矩阵变换器前端加入z源网络，通过控制占空比和调制系数起到buck-boost的作用，提高矩阵变换器的电压传输比。介绍了该方法的数学规则，给出对应开关管的占空比系数的数学表达式。通过Matlab/Simulink软件建立矩阵变换器的数学仿真模型，验证了这一改进的正确性和可行性。

矩阵变换器；z源网络；升降压；Simulink仿真

矩阵变换器(MC)在工业领域具有广泛应用，非常适合应用于对装置体积、质量要求较高的场合以及微电网与传统电网并网时低谐波要求的应用场合。而矩阵变换器的缺点是电压传输比低。本文在此基础上对其进行改进，在矩阵变换器前端加入z源网络，通过控制占空比和调制系数起到buck-boost的作用，提高矩阵变换器的电压传输比。

1 基于buck电路的矩阵变换器策略

文献[1-2]提出了一种基于buck电路的矩阵变换器控制策略。传统的直流降压斩波电路(DC/DC buck)如图1(a)所示，VT为可控制通断的IGBT管，VD为普通二极管，提供续流通道和阻止反向电压。根据上述拓扑，用背靠背共集电极的两个IGBT管来代替原来的主开关管VT和续流二极管VD，变换后的斩波电路如图1(b)所示。在AN两端通入正弦交流电，该电路的调制方式采用SPWM控制。当通入的正弦电为上半波形时，即AN>0，VD2和VT2导通，进行斩波，VD3和VT3导通，进行续流，而VT1和VT4始终关断。这样加在负载两端的电压为正弦电压的正半周期，流过负载的电流就为正弦交流电的正半周期(假设图中箭头所指方向为正)。同理当UAN<0时，VD1和VT1导通，进行斩波，VD4和VT4导通，进行续流，而VT2和VT3始终关断，这样加在负载两端的电压为正弦电压的负半周期，流过负载的电流就为正弦交流电的负半周期。基于以上工作过程对该电路采用适当的控制方法，就可以得到期望输出频率的负载电流。控制过程为：当期望的输出电流为正时，导通VT2、VT3，使输入电压AN>0；当期望的输出电流为负时，导通VT1、VT4，使输入电压AN<0。

图1 直流降压斩波电路

对于三相输入电压，把图1(b)中的输入相增至三相，则可组成如图2(a)所示的结构。

倘若采用双极性控制，去掉负载旁边的续流回路就得到如图2(b)所示的结构。其控制原理为：当期望输出的电流为正半周期时，比较三相电压，如果哪相的电压最高，则该相的IGBT管导通，进行斩波，与此同时，哪相的电压最低，则该相的IGBT管导通，进行续流。假设在某一时刻期望输出电流为正，此时a相电压最高，c相电压最低，则开关管VT2导通，进行斩波，同时VT6导通，进行续流。由于每一相上的开关管都是双向可控开关管，可以简化为图2(c)所示结构，三相的开关管用SAa，SAb，SAc表示，这就构成了典型的三相-单相矩阵式变换的拓扑结构。其电路的工作原理就是利用电网相电压的包络线进行斩波和续流，得到期望输出频率的正弦交流电[1-2]。

图2 三相-单相MC拓扑结构

2 基于buck电路的矩阵变换器控制策略的改进

将矩阵变换器主拓扑采用上述DC/DC电路的模型，但在电源与MC之间加入z源网络，如图3所示。

图3 加入z源网络后的buck电路模型MC

z源网络加入了6个电感La1,La2,Lb1,Lb2,Lc1,Lc2，6个电容Ca1,Ca2,Cb1,Cb2Cc1,Cc2以及3个换向开关Sa,Sb,Sc，通过一个门极信号来控制额外的三个开关。Sa,Sb,Sc三个开关的驱动信号可以记作S。z源网络能够工作在buck和boost模式下，使MC获得高的电压传输比。

3 新buck电路策略的数学模型

z源网络有两种工作状态：直通和关闭状态。其等值电路如图4所示。

在直通状态时，如图4(a)，开关S断开，z源网络的MC输出是短路的，此时起到升压作用(boost)。在非直通状态时，如图4(b)所示，此时的等值电路应对普通状态。

图4 加入z源网络后的buck电路模型MC等值电路

根据系统的对称性，z源网络的电感La1,La2,Lb1,Lb2,Lc1,Lc2具有相同的电感值，电容Ca1,Ca2,Cb1,Cb2Cc1,Cc2也具有相同的电容量。

在一个周期s内，直通状态时间为0，非直通时间为1，直通占空比为=0/。在非直通状态时，有如下的状态空间方程：

在直通状态期间，S关闭，可以得到：

从式(1)和式(2)得到平均状态方程：

平均电感电压和平均电容电流在一个开关周期中应该为0，因此可以得到：

因此，在一个周期内，可以得到z源网络的电压增益：式中：为矩阵变换器的调制系数。通过选择合适的调制系数来提高电压增益，使电压增益接近甚至高于1。

4 仿真与实验

仿真参数如下：输入电源电压幅值220 V，=50 Hz，z源网络=0.1 mH，=10μF，开关频率10 kHz；负载电阻10Ω，电感0.01 mH。

仿真模型主要由四大部分组成：第一部分为三相电源；第二部分为z源网络；第三部分为MC及其控制电路，包括开关状态产生模块、PWM信号发生模块、控制逻辑信号产生模块、单向开关控制信号产生模块；第四部分为阻感型负载。其仿真框图如图5所示。

图6(a)所示为未接入z源网络时的输出线电压，图6(b)为加入z源网络之后的输出线电压波形。从图6中可以看出有源电力滤波器之前的三相电源电压和电流波形。加入z源网络之后，电压增益可达到1.125。

5 结论

基于buck电路的矩阵式变换器，采用电流滞环控制策略的三相-单相矩阵式变换器输出的电流波形较好，即谐波含量较少，但存在电压传输低的缺点。本文提出的加入z源网络buck电路模型的矩阵变换器，能够克服原有策略电压传输比低的弱点。仿真结果表明，此控制程序简单，能利用工业控制达到迅速响应的目的，而且具有一定的抗干扰性。

图5 加入z源网络后buck电路模型MC策略仿真

图6 MC输出线电压波形

[1]魏萍，邹德琼.基于Buck电路的矩阵式变换器[J].电源技术，2013，37：1658-1660.

[2]韩斌.矩阵式变换器控制策略及其计算机仿真研究[D].合肥：合肥工业大学，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，硕士生导师，主要研究方向为电力电子装置设计及其应用技术、特种电源。