摘要：基于拓撲解耦思想提出了一種針對矩陣式高頻鏈逆變器的新型控制策略。根據(jù)高頻逆變橋生成的高頻環(huán)的極性，將矩陣變換器的拓撲解耦成兩個常規(guī)的三相電壓源型逆變器，從而就可將常規(guī)電壓源逆變器的控制方法引入到對矩陣變換器控制當中，簡化了對矩陣變換器的分析。進行了實驗研究，結(jié)果表明該控制方法具有較好的控制效果。
關(guān)鍵詞：高頻鏈；矩陣變換器；雙向橋臂；解結(jié)耦；準載頻

0 引言
    DC／AC逆變技術(shù)在新能源開發(fā)、交流電機的傳動、不間斷電源(UPS)、有源濾波器等許多場合得到了廣泛的應用。傳統(tǒng)的逆變器雖然技術(shù)成熟可靠，但存在體積大、笨重、音頻噪音大、系統(tǒng)動態(tài)性能差等缺點。變壓器作為逆變器中的核心元件，在實現(xiàn)電源側(cè)和負載側(cè)電氣隔離的同時，也起到傳輸功率的作用。然而由于傳輸功率的是基波，使得逆變器中采用的傳統(tǒng)工頻變壓器體積、重量在裝置所占分量較大，成為提高裝置功率密度的主要障礙。高頻鏈逆變技術(shù)利用高頻變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工頻變壓器，克服了以上缺點，減小了變壓器的體積和重量。
    本文將矩陣變換器中的直流變換到三相交流的拓撲和高頻鏈技術(shù)相結(jié)合，提出了一種新型控制策略。該控制策略利用工作于PWM調(diào)制模式的高頻逆變橋生成的高頻環(huán)電壓方波經(jīng)高頻變壓器升壓后作為后級矩陣變換器的輸入。對于后級矩陣變換器，利用“拓撲解耦”思想將其解耦成兩個常規(guī)的電壓源逆變器，從而可將常規(guī)電壓源逆變器的控制方法引入其中，分別對單個電壓源逆變器進行控制，最后通過后級矩陣變換器功率器件適當?shù)拈_關(guān)組合，將高頻環(huán)方波整形成單極性的高頻脈沖，經(jīng)過濾波器后輸出與調(diào)制波同頻率的低頻正弦波。將PWM控制策略和高頻變壓器構(gòu)成高頻鏈并與矩陣變換器拓撲相結(jié)合也是本文的創(chuàng)新點所在。對所提控制策略進行了實驗研究，實驗結(jié)果驗證了該控制策略的可行性。

1 電路拓撲及控制策略
    直流變換到三相交流矩陣式高頻鏈逆變器的主電路拓撲如圖1所示。主電路的前級由單相全橋電路和高頻變壓器組成高頻逆變橋，后級由矩陣變換器和輸出濾波電路組成。高頻逆變橋生成的高頻環(huán)方波由矩陣變換器對其進行解調(diào)，由濾波電路濾除高次諧波，從而在輸出濾波電路兩端解調(diào)到與調(diào)制波同頻的交流脈沖電壓，控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    對于主電路后級，屬于單相交流(輸入信號是高頻交流環(huán)方波)到三相交流的矩陣變換器結(jié)構(gòu)，仔細研究發(fā)現(xiàn)，通過將后級矩陣變換器進行解耦，即將其分解成兩個常規(guī)三相電壓源逆變器，從而就可以將常規(guī)電壓源逆變器的控制方法引入其中，大大簡化了對后級矩陣變換器的分析。由于前級高頻逆變橋輸出的是高頻交流環(huán)方波列，利用解耦控制思想，當高頻逆變橋輸出正極性脈沖時，讓三個雙向橋臂上的正極性開關(guān)管導通，當輸出為負極性脈沖時(所謂“正、負極性”是根據(jù)保證橋臂上二極管能導通的方向來確定)，讓雙向橋臂上的負極性開關(guān)管導通，這樣就實現(xiàn)了對后級矩陣變換器的解耦控制，如圖3所示，只不過此時對于兩個電壓源逆變器的輸入信號不再是恒定的直流電壓源，而是周期性離散的電壓脈沖列。以A相為例，矩陣變換器雙向橋臂上四路開關(guān)驅(qū)動信號的實現(xiàn)過程如下：利用正弦調(diào)制波和三角載波進行比較后獲得兩路互補的SPWM信號，然后再將此兩路信號與相位互差180°、占空比為0．5的方波V2、V1進行邏輯組合，方波V3、V4與前級高頻逆變橋開關(guān)管的驅(qū)動脈沖同步。

    這樣就可以得到A相雙向橋臂上四路開關(guān)的驅(qū)動信號，波形示意如圖4所示。由以上分析知，矩陣變換器A相雙向橋臂四路開關(guān)的驅(qū)動信號的邏輯關(guān)系為：
   
    以上利用V3，V4與SPWM1，SPWM2波形進行信號邏輯處理的過程，體現(xiàn)了對SPWM信號的分解和矩陣變換器拓撲結(jié)構(gòu)的分離，即體現(xiàn)了解耦的控制思想。圖4中給出了A相雙向橋臂上四個開關(guān)管驅(qū)動信號的實現(xiàn)方法，同理可得出B、C相開關(guān)管的驅(qū)動信號。在分析后級拓撲的時候，利用解耦思想實現(xiàn)了后級拓撲的分解，但電路的工作過程是在同一個拓撲上實現(xiàn)的，并且兩個過程是同步進行的，因此，將解耦后的控制信號經(jīng)過邏輯組合后又應用于后級同一拓撲上，實現(xiàn)了對矩陣變換器的控制。

2 實驗
    對所提的控制方法進行了實驗研究，實驗參數(shù)見表1。

    圖5(a)是高頻逆變橋MOS管柵極驅(qū)動信號ugs和漏源電壓uds波形。圖5(b)是由DSP產(chǎn)生的載波頻率為10 kHz、調(diào)制比為0．8的三相SPWM1、SPWM3和SPWM5信號及對SPWM5二分頻后的信號。圖5(c)是解耦環(huán)節(jié)邏輯信號經(jīng)功率型光耦TLP250芯片驅(qū)動后的開關(guān)管驅(qū)動信號，依次是Guhh，Guhl，Gull和Gulh，實驗結(jié)果和圖4中的開關(guān)時序信號相同。圖5(d)是逆變器輸出的頻率是50 Hz的相電壓波形。

3 結(jié)論
    本文基于拓撲解耦思想，將單相到三相的矩陣變換器解耦成兩個常規(guī)的電壓源型逆變器，高頻逆變橋采用PWM調(diào)制，矩陣變換器采用SPWM調(diào)制實現(xiàn)了對矩陣式高頻鏈逆變器的控制，大大簡化了矩陣變換器的控制過程。搭建了實驗樣機，通過實驗驗證了所提控制思想的正確性，為進一步研究矩陣變換器的控制策略具有一定的借鑒意義。