矩阵式单相电源调压技术

下面给出一种四步换流方式。这是一种根据电源电压极性而确定的换流方式。根据电源电压极性的不同将一个电源电压周期划分为两个扇区，电源电压正极性时定为扇区1，电源电压负极性时定为扇区2。

图2 简 化 的 单 相 电 源 变 换 电 路

1）扇区1内开关动作规则

（1）预备

开关状态为Q₂、Q₄断，Q₁、Q₃断，工作状态为等待。

（2）正半周供电状态

按照期望开关周期与占空比使Q₁、Q₃开通，Q₂、Q₄断，工作状态为供电。

（3）由供电状态切换到续流状态

Q₄开通，延时→Q₁关断，延时→Q₂开通，延时→Q₃关断，工作状态为续流。

（4）由续流状态切换到供电状态

Q₃开通，延时→Q₂关断，延时→Q₁开通，延时→Q₄关断，工作状态为供电。

2）扇区2内开关动作规则

（1）预备

开关状态为Q₂、Q₄断，Q₁、Q₃断，工作状态为等待。

（2）负半周供电状态

按照期望开关周期与占空比使Q₁、Q₃开通，Q₂、Q₄断，工作状态为供电。

（3）由供电状态切换到续流状态

Q₂开通，延时→Q₃关断，延时→Q₄开通，延时→Q₁关断，工作状态为续流。

（4）由续流状态切换到供电状态

Q₁开通，延时→Q₄关断，延时→Q₃开通，延时→Q₂关断，工作状态为供电。

在每个扇区内部，这种换流方式是安全的，只需要利用电压传感器准确快速地检测电源电压极性来确定扇区，而不需要电流传感器检测变压器原边电流的极性。当然，传感器要有良好的线性度、快速性和光电隔离，由于电源电压很稳定，其过零点的检测比较准确可靠。扇区之间的切换不需要特别考虑，因为切换点只出现在电源电压过零点，切换时只要保证变压器的原边续流有路径即可。为此可以采取下述方法，即不论变压器原边电流与各开关此时处于什么状态，首先开通Q₂和Q₄，进行续流，短暂延时后，再关闭Q₁和Q₃，然后再按照四步换流流程进行即可。

4 仿真结果

采用PSPICE对采用四步换流方式的矩阵式单相电源调压器进行仿真，为增强效果，仿真电路在变压器原边增加了一个滤波器，其中电感为1mH，电容为1μF。变压器原边电感为100mH，原边电阻为2Ω，副边为100mH，电压变比为1。电源侧滤波电容为2μF，滤波电感为2mH。负载电阻R_o=5Ω，输出滤波电容C_o=10μF，输出滤波电感L_o=20mH。电源为单相工频交流电源，开关频率为10kHz，功率开关为IGBT。图4、图6、图8与图10为占空比100％、95％、50％与7.5％时变压器输出电压与负载电流波形，图3、图5、图7与图9为占空比100％、95％、50％与7.5％时电源电压与电流波形。仿真表明，开关频率越高，输出电压与电流波形正弦度越好；占空比越大，输出电压幅值越高；输入电流波形的正弦度很高，对电网几乎无谐波电流污染。

图3 电 源 电 压 与 电 流 波 形(D=100％)

图4 变 压 器 输 出 电 压 与 负 载 电 流 波 形(D=100％)

图5 电 源 电 压 与 电 流 波 形(D=95％)

图6 变 压 器 输 出 电 压 与 负 载 电 流 波 形(D=95％)

图7 电 源 电 压 与 电 流 波 形(D=50％)

图8 变 压 器 输 出 电 压 与 负 载 电 流 波 形(D=50％)

图9 电 源 电 压 与 电 流 波 形(D=7.5％)

图10 变 压 器 输 出 电 压 与 负 载 电 流 波 形(D=7.5％)

5 结语

本文所提的矩阵式单相电源变换器具有开关器件数量少、中间无需储能电容、输出电压连续可调、高正弦度输入电流等特点，适用于恒频调压调速、UPS、工业加热、调光器等应用场合。仿真结果验证了四步换流策略是矩阵式单相电源变换器的一种安全换流技术。矩阵式单相电源变换器是电力电子技术与变压器技术相结合的产物，当开关频率很高时，变压器体积和整机体积可以做得很小，这是一种有前途的单相电源变换装置。