「與或」門構造的專用邏輯式電流型解結耦單極性PWM方法與流程
2023-05-19 04:54:01 1
本發明涉及電力電子功率變換器調製及控制領域，特別涉及單相高頻鏈矩陣整流器的「與或」門構造的專用邏輯式電流型解結耦單極性pwm方法。
背景技術：
整流器是一種把交流電能轉換成直流電能的拓撲裝置，傳統整流器系統所用的工頻變壓器存在重量與體積大、效率低、音頻噪音高等問題，用高頻變壓器替代其中的工頻變壓器，不僅可以解決上述問題，而且能夠實現輸出與輸入之間的電氣隔離、輸出更大範圍的電壓、提高電壓傳輸比及功率密度、減小電磁幹擾、提高用電安全等優點，使電力電子變換器系統的性能得到顯著提高。
單相高頻鏈矩陣整流器由輸入lc濾波器、單相矩陣變換器、高頻變壓器、不控整流、輸出濾波器l和負載構成，將單相正弦交流電輸入至矩陣變換器變換為正負交變的高頻脈衝電，然後再經過高頻變壓器耦合輸出，再經過不控整流得到穩定的直流電壓。
由於高頻變壓器存在漏感，如果單相高頻鏈矩陣整流器變壓器前級開關管換流不正確，使得單相高頻鏈矩陣整流器前級的開關管在換流時，在變壓器原邊產生較大電壓過衝，因此單相高頻鏈整流器變壓器前級矩陣變換器的安全換流一直是制約高頻鏈矩陣整流器實現大功率化的技術難點。所以亟需要提出一種新的調製策略解決單相高頻鏈矩陣整流器變壓器原邊矩陣變換器開關管換流問題。
技術實現要素：
本發明目的在於解決現有的單相高頻鏈矩陣整流器的調製不能有效解決雙向開關管安全換流等問題，提出能夠可靠地實現單相高頻鏈矩陣整流器安全換流的「與或」門構造的專用邏輯式電流型解結耦單極性pwm方法。
本發明所述的「與或」門構造的專用邏輯式電流型解結耦單極性pwm方法即為「與或」門構造的專用邏輯式電流型解結耦調製和電流型單極性pwm調製相結合的一種方法。
為了實現上述目的，本發明所採用的技術方案如下：
一種「與或」門構造的專用邏輯式電流型解結耦單極性pwm方法，本發明方法採用的單相高頻鏈矩陣整流器電路拓撲由於其輸入側採用lc型濾波器，輸出側採用l型濾波器，因此此拓撲為電流型拓撲；針對單相高頻鏈矩陣整流器的調製，均採用電流型調製方法；
所述單相高頻鏈矩陣整流器電路拓撲包括：前級電路、高頻變壓器和後級電路；所述前級電路是由電壓源、lc型濾波器和單相矩陣變換器構成；所述後級電路是由不控整流電路，l型濾波器和負載構成；所述前級電路將單相工頻交流電轉換成單相高頻交流電，然後通過所述高頻變壓器耦合輸出，再通過所述不控整流電路將所述前級電路輸出的單相高頻交流電整流成直流電，最後經過所述l型濾波器濾掉直流電流的高次諧波最終輸出平滑的直流電；
所述前級電路中電壓源一端與所述lc型濾波器的濾波電感連接，所述lc型濾波器的濾波電容一端與所述單相矩陣變換器的a節點連接，其另一端與所述單相矩陣變換器的b節點和所述電壓源的另一端連接；
所述單相矩陣變換器是由第一雙向開關管、第二雙向開關管、第三雙向開關管和第四雙向開關管組成；第一雙向開關管的一個集電極與第二雙向開關管的一個集電極連接於a節點，使第一雙向開關管和第二雙向開關管構成a相橋臂；第三雙向開關管的一個集電極與第四雙向開關管的一個集電極連接於b節點，使第三雙向開關管和第四雙向開關管構成b相橋臂；第一雙向開關管的另一個集電極與第三雙向開關管的另一個集電極相連接於c節點；第二雙向開關管的另一個集電極與第四雙向開關管的另一個集電極相連接於d節點；
所述第一雙向開關管是由第一單向開關管和第二單向開關管串聯組成；所述第二雙向開關管是由第三單向開關管和第四單向開關管串聯組成；所述第三雙向開關管是由第五單向開關管和第六單向開關管串聯組成；所述第四雙向開關管是由第七單向開關管和第八單向開關管串聯組成；
所述單相矩陣變換器的c節點與所述高頻變壓器原邊的同名端連接，所述單相矩陣變換器的d節點與所述高頻變壓器原邊的異名端連接；
所述後級電路包括第一二極體、第二二極體、第三二極體、第四二極體、l型濾波器和負載，第一二極體、第二二極體、第三二極體和第四二極體組成橋形電路，第一二極體和第二二極體組成一對橋臂，第三二極體和第四二極體組成一對橋臂，第一二極體和第三二極體組成共陰極，第二二極體和第四二極體組成共陽極；所述高頻變壓器副邊的同名端和異名端分別與橋形電路的e節點和f節點連接；所述l型濾波器和負載相串聯連接於橋形電路的共陰極和共陽極之間；
本發明的「與或」門構造的專用邏輯式電流型解結耦調製包含「電流型解耦」和「電流型結耦」兩部分工作；其中，電流型解耦工作是針對電路特徵和物理連接的分析，將雙向開關管電路分解為兩個單向開關管電路，所以可將單相高頻鏈矩陣整流器變壓器前級矩陣變換器解耦成正、負兩組普通的單相電流型整流器；而電流型結耦工作採用「與或」門構造的邏輯變換和控制實現，其核心控制思路為：正組單相電流型整流器工作時，相當於負組整流器全部的開關管處於關斷狀態，同理，負組單相電流型整流器工作時，相當於正組整流器開關管全部關斷。
所述一種「與或」門構造的專用邏輯式電流型解結耦單極性pwm方法包括如下內容：
pulse、pulsen為電流型單極性pwm調製產生的2個互補的低頻驅動信號，spwm、spwmn為單極性pwm調製產生的兩個互補的高頻驅動信號，vp、vn為二分之一載波頻率的互補高頻方波信號，spah、snah、spbh、snbh為高頻變壓器hfac原邊單相矩陣變換器的4個雙向開關管的驅動信號；
通過電流型單極性pwm調製信號發生環節產生2個低頻信號pulse、pulsen和2個高頻信號spwm、spwmn，然後通過「與或」門構造的專用邏輯式電流型解結耦調製將電流型單極性pwm調製產生的4個驅動信號和二分之一開關頻率的高頻方波進行邏輯組合，即將spwmn和vn進行邏輯「與」，pulse和vp進行邏輯「與」，再將兩個與門得到的驅動進行邏輯「或」，得到第一單向開關管和第二單向開關管的驅動信號；將pulse和vn進行邏輯「與」，spwmn和vp進行邏輯「與」，再將兩個與門得到的驅動進行邏輯「或」，得到第四單向開關管和第三單向開關管的驅動信號；將spwm和vn進行邏輯「與」，pulsen和vp進行邏輯「與」，再將兩個與門得到的驅動進行邏輯「或」，得到第五單向開關管和第六單向開關管的驅動信號；將pulsen和vn進行邏輯「與」，spwm和vp進行邏輯「與」，再將兩個與門得到的驅動進行邏輯「或」，得到第七單向開關管和第八單向開關管的驅動信號；採用此調製策略，單相高頻鏈整流器能夠實現網側電流正弦化，單位功率因數，以及輸出大範圍的直流電壓。
傳統的用於單相電流型整流器的單極性pwm調製得到的高頻和低頻驅動信號和二分之一開關頻率的高頻方波經過本發明所提出的「與或」門邏輯進行相應邏輯處理產生的驅動信號，最終驅動單相高頻鏈矩陣整流器變壓器前級矩陣變換器的開關管，實現單相高頻鏈矩陣整流器變壓器原邊矩陣變換器雙向開關管的安全換流，避免在開關管上產生電壓過衝。
由於採用上述技術方案，相比於現有方法，本發明具有以下有益效果：
1、本發明採用「與或」門構造的專用邏輯式電流型解結耦調製將單相高頻鏈矩陣整流器高頻變壓器前級解耦成兩個普通的單相電流型整流器進行分析，這樣簡化了對矩陣變換器的分析難度，使矩陣變換器的控制更加簡單；
2、本發明驅動信號邏輯簡單實現方便，不需要外加輔助電路就實現了單相高頻鏈矩陣整流器高頻變壓器原邊矩陣變換器的開關管的安全換流，使得高頻變壓器的漏感能量得到釋放，避免了高頻變壓器產生電壓尖峰，大大減小了開關損耗；
3、本發明能夠實現單相高頻鏈整流器網側電流正弦化、單位功率因數以及輸出大範圍的直流電壓；
4、本發明無需採用輔助電路即可實現高頻變壓器漏感的自然續流，僅僅通過採用邏輯組合就可以實現，在高頻變壓器有漏感的情況下，單相高頻鏈矩陣整流器高頻變壓器前級矩陣變換器開關管的安全換流，避免了在高頻變壓器兩端產生電壓尖峰，減小了開關管損耗；
5、本發明所提出的邏輯控制簡單，實施方法靈活過程簡便，可有效提升整機效率和系統可靠性。
附圖說明
圖1為本發明單相高頻鏈矩陣整流器電路拓撲圖；
圖2為本發明單相高頻鏈矩陣整流器的解耦示意圖；
圖3為「與或」門構造的專用邏輯式電流型解結耦單極性pwm方法的原理框圖；
圖4為「與或」門構造的專用邏輯式電流型解結耦單極性pwm方法原理圖；
圖5為「與或」門構造的專用邏輯式電流型解結耦單極性pwm方法邏輯合成圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的調製方法做進一步說明：
本發明的一種「與或」門構造的專用邏輯式電流型解結耦單極性pwm方法，本發明方法採用的單相高頻鏈矩陣整流器電路拓撲圖如圖1所示，它包括前級電路、高頻變壓器hfac和後級電路；所述前級電路是由電壓源ei、lc型濾波器和單相矩陣變換器構成；所述後級電路是由不控整流電路，l型濾波器ldc和負載r構成；所述前級電路將單相工頻交流電轉換成單相高頻交流電，然後通過所述高頻變壓器hfac耦合輸出，再通過所述不控整流電路將所述前級電路輸出的單相高頻交流電整流成直流電，最後經過所述l型濾波器濾掉直流電流的高次諧波最終輸出平滑的直流電；所述前級電路中電壓源ei一端與所述lc型濾波器的濾波電感l連接，所述lc型濾波器的濾波電容c一端與所述單相矩陣變換器的a節點連接，其另一端與所述單相矩陣變換器的b節點和所述電壓源ei的另一端連接；
所述單相矩陣變換器是由第一雙向開關管spa、第二雙向開關管sna、第三雙向開關管spb和第四雙向開關管snb組成；第一雙向開關管spa的一個集電極與第二雙向開關管sna的一個集電極連接於a節點，使第一雙向開關管spa和第二雙向開關管sna構成a相橋臂；第三雙向開關管spb的一個集電極與第四雙向開關管snb的一個集電極連接於b節點，使第三雙向開關管spb和第四雙向開關管snb構成b相橋臂；第一雙向開關管spa的另一個集電極與第三雙向開關管spb的另一個集電極相連接於c節點；第二雙向開關管sna的另一個集電極與第四雙向開關管snb的另一個集電極相連接於d節點；
所述第一雙向開關管spa是由第一單向開關管spa-和第二單向開關管spa+串聯組成；所述第二雙向開關管sna是由第三單向開關管sna-和第四單向開關管sna+串聯組成；所述第三雙向開關管spb是由第五單向開關管spb-和第六單向開關管spb+串聯組成；所述第四雙向開關管snb是由第七單向開關管snb-和第八單向開關管snb+串聯組成；
所述單相矩陣變換器的c節點與所述高頻變壓器hfac原邊的同名端連接，所述單相矩陣變換器的d節點與所述高頻變壓器hfac原邊的異名端連接；
所述後級電路包括第一二極體d1、第二二極體d2、第三二極體d3、第四二極體d4、l型濾波器ldc和負載r，第一二極體d1、第二二極體d2、第三二極體d3和第四二極體d4組成橋形電路，第一二極體d1和第二二極體d2組成一對橋臂，第三二極體d3和第四二極體d4組成一對橋臂，第一二極體d1和第三二極體d3組成共陰極，第二二極體d2和第四二極體d4組成共陽極；所述高頻變壓器hfac副邊的同名端和異名端分別與橋形電路的e節點和f節點連接；所述l型濾波器ldc和負載r相串聯接於橋形電路的共陰極和共陽極之間。
圖2為本發明的單相高頻鏈矩陣整流器解耦示意圖，根據「與或」門構造的專用邏輯式電流型解結耦單極性pwm方法原理，將單相高頻鏈矩陣整流器高頻變壓器hfac前級解耦成兩個單相正、負組電流型整流器，當正組單相電流型整流器工作時，相當於電流只流過負組整流器開關管的反並聯二極體上，此時相當於負組整流器的開關管全部關斷，當負組單相電流型整流器工作時，相當於電流只流過正組整流器的開關管的反並聯二極體上，此時相當於正組整流器的開關管全部關斷。
圖3為本發明「與或」門構造的專用邏輯式電流型解結耦單極性pwm方法的系統原理框圖，此方法由電流型單極性pwm調製信號發生環節，「與或」門構造的專用邏輯式電流型解結耦邏輯處理電路以及被控對象單相矩陣變換器電路。其中，電流型單極性pwm調製信號發生環節產生2個低頻驅動信號和2個高頻驅動信號，然後通過「與或」門構造的專用邏輯將產生的4個驅動信號和二分之一開關頻率的高頻方波進行邏輯組合，從而僅通過此方法即實現單相高頻鏈矩陣整流器的前級矩陣變換器開關管的安全換流。
圖4為以波形圖象方式對「與或」門構造的專用邏輯式電流型解結耦單極性pwm方法原理進行說明，圖中pulse、pulsen為電流型單極性pwm調製產生的2個互補的低頻驅動信號，spwm、spwmn為單極性pwm調製產生的兩個互補的高頻驅動信號，vp、vn為二分之一載波頻率的互補高頻方波信號，spah、snah、spbh、snbh為高頻變壓器hfac原邊單相矩陣變換器的4個雙向開關管的驅動信號，up為變壓器原邊電壓，ip為變壓器原邊電流，由4個雙向開關管的驅動信號、高頻變壓器hfac原邊電壓up以及高頻變壓器hfac原邊電流ip可以看出，此調製可以實現單相高頻鏈矩陣整流器的前級矩陣變換器開關管的安全換流，避免了變壓器產生電壓尖峰。
圖5為「與或」門構造的專用邏輯式電流型解結耦調製的邏輯電路，spwmn和vn進行邏輯「與」，pulse和vp進行邏輯「與」，再將兩個與門得到的驅動信號進行邏輯「或」，得到第一單向開關管spa-和第二單向開關管spa+的驅動信號；將pulse和vn進行邏輯「與」，spwmn和vp進行邏輯「與」，再將兩個與門得到的驅動信號進行邏輯「或」，得到第四單向開關管sna+和第三單向開關管sna-的驅動信號；spwm和vn進行邏輯「與」，pulsen和vp進行邏輯「與」，再將兩個與門得到的驅動信號進行邏輯「或」，得到第第五單向開關管spb-和第六單向開關管spb+的驅動信號；將pulsen和vn進行邏輯「與」，spwm和vp進行邏輯「與」，再將兩個與門得到的驅動進行邏輯「或」，得到第七單向開關管snb-和第八單向開關管snb+的驅動信號。可見驅動信號邏輯簡單實現方便。
以上所述的實例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，並非對本發明的範圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案做出的各種變形和改進，均應落入本發明權利要求書確定的保護範圍內。