本實(shí)用新型涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著“節(jié)能減排”和新能源的重視，電力變換器的地位越來越高，在更多的電力場(chǎng)合使用電力變換器，其中矩陣變換器(Matrix Converter)以其優(yōu)點(diǎn)逐漸成為電力變換器研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。矩陣變換器在持之以恒的深入研究過程中，適應(yīng)電力電子行業(yè)的發(fā)展，逐漸演變多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。矩陣整流器正是由三相-三相矩陣變換器演化而來的三相AC-DC變換器，具有如下特點(diǎn)：三相交流輸入、單相直流輸出，或單相直流輸入、三相交流輸出，電能雙向流動(dòng)，正弦輸入電流，高功率因數(shù)(功率因數(shù)可調(diào))，不需要大容量的直流儲(chǔ)能元件(大容量的電感和電容)。矩陣整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

目前，矩陣整流器主要采用電流空間矢量調(diào)制算法：電流空間矢量調(diào)制以磁鏈跟蹤為目的。上橋臂三個(gè)開關(guān)為S11、S12、S13，下橋臂三個(gè)開關(guān)為S21、S22、S23。6個(gè)開關(guān)遵循原則：上橋臂三個(gè)開關(guān)同一時(shí)刻只能有一個(gè)導(dǎo)通，下橋臂三個(gè)開關(guān)同一時(shí)刻只能有一個(gè)導(dǎo)通，目的是為了防止三相輸入電源兩相或三相間短路。上下橋臂6個(gè)開關(guān)共有9種開關(guān)狀態(tài)，1代表開，0代表關(guān)，如表1。

表1開關(guān)狀態(tài)

輸入電流矢量I可以由三相輸入電流I_a、I_b、I_c通過Park變換得到，

I＝2(I_a+I_bρ+I_cρ²)/3，ρ＝e^j120° (1)

相應(yīng)的三相輸入電流空間矢量共有9種，現(xiàn)在以第一種為例，得到I_a、I_b、I_c，

I_a＝I_dc，I_b＝0，I_c＝-I_dc (2)

帶入式(1)，得到I₁，

依次得出其余8種狀態(tài)I₂、I₃、I₄、I₅、I₆、I₀₁、I₀₂、I₀₃，組成三相輸入電流空間矢量圖，如圖2，其中，I₁、I₂、I₃、I₄、I₅、I₆為非零矢量，互相之前相差60^o，分為I、II、

III、IV、V、VI，6個(gè)區(qū)間，I₀₁、I₀₂、I₀₃為零矢量，I_Ref為目標(biāo)電流，由9種電流空間矢量合成，如圖2所示。

具體說明I_Ref如何合成，I_Ref在6個(gè)區(qū)間I、II、III、IV、V、VI中的一個(gè)，I_x、I_y為6個(gè)非零矢量中相鄰的2個(gè)矢量，I₀為I₀₁、I₀₂、I₀₃中的零矢量，

I_Ref＝I_xT_x/T+I_yT_y/T+I₀T₀/T (4)

式中，T為充電模式下開關(guān)PWM的周期，T_x、T_y、T₀分別為在充電模式下開關(guān)PWM的周期內(nèi)I_x、I_y和I₀的作用時(shí)間。

d_x＝T_x/T＝m*sin(π/3-θ)，

d_y＝T_y/T＝m*sin(θ)，

d₀＝T₀/T＝1-d_x-d_y，0≤m≤1 (5)

式中，d_x、d_y、d_x為I_x、I_y、I₀的占空比，m為調(diào)制系數(shù)。輸出直流電壓由相鄰的2個(gè)線電壓合成，其平均值U_dc，

U_dc＝1.5m^*U_m*cosθ (6)

式中，U_m為輸入相電壓峰值，圖3為矢量合成圖。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型為獲得功能更多、性能更強(qiáng)、穩(wěn)定性更高的矩陣整流電路，提供一種各個(gè)模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)的矩陣整流電路，結(jié)構(gòu)緊湊，模塊整體協(xié)調(diào)優(yōu)化。

本實(shí)用新型的矩陣整流電路，包括：(1)輸入濾波器電路和輸出濾波器電路，其中，輸入濾波器電路的輸入端用于與電網(wǎng)的三相交流連接，輸入濾波器電路的輸出端用于與主電路的輸入端連接，輸出濾波器電路的輸入端用于與主電路的輸出端連接，輸出濾波器電路的輸出端用于與負(fù)載連接；(2)輸入電壓檢測(cè)電路、輸出電壓檢測(cè)電路、輸入電流檢測(cè)電路和輸出電壓檢測(cè)電路，其中，輸入電壓檢測(cè)電路、輸入電流檢測(cè)電路均用于與電網(wǎng)的三相交流連接，輸出電壓檢測(cè)電路、輸出電流檢測(cè)電路均用于與輸出濾波器電路的輸出端連接；(3)控制器、驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路和通訊電路，控制器分別與驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路、通訊電路連接，驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路用于驅(qū)動(dòng)和保護(hù)主電路；且，控制器與輸入電壓檢測(cè)電路、輸入電流檢測(cè)電路的輸出端連接；且，控制器與輸出電壓檢測(cè)電路、輸出電流檢測(cè)電路的輸出端連接。

進(jìn)一步的，矩陣整流電路還包括直流電源電路，所述直流電源電路用于為所述控制器、所述驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路和所述通訊電路提供工作電源。

進(jìn)一步的，所述直流電源電路包括帶有隔離功能的開關(guān)電源和DC-DC模塊電源。

進(jìn)一步的，所述輸入電壓檢測(cè)電路包括用于采集輸入相電壓的霍爾電壓傳感器，且包括調(diào)理電路，調(diào)理電路包括第一級(jí)運(yùn)放電路和第二級(jí)運(yùn)放電路，霍爾電壓傳感器的輸出信號(hào)依序經(jīng)過第一級(jí)運(yùn)放電路和第二級(jí)運(yùn)放電路傳輸至控制器。

進(jìn)一步的，所述霍爾電壓傳感器選用CHV-25P霍爾電壓傳感器。

進(jìn)一步的，所述主電路采用逆阻IGBT作為開關(guān)器件。

進(jìn)一步的，所述控制器包括共享地址線和數(shù)據(jù)線的DSP控制器和FPGA控制器。

進(jìn)一步的，所述通訊電路包括串口通訊和以太網(wǎng)通訊。

進(jìn)一步的，矩陣整流電路包括與所述通訊電路連接的觸摸屏和服務(wù)器。

本實(shí)用新型的矩陣整流電路，提供了輸入濾波器電路和輸出濾波器電路，控制器與輸入電壓檢測(cè)電路、輸入電流檢測(cè)電路的輸出端連接；且控制器與輸出電壓檢測(cè)電路、輸出電流檢測(cè)電路的輸出端連接，因此，交流側(cè)和直流側(cè)的輸入、輸出都更加穩(wěn)定；矩陣整流電路采用功能模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，模塊整體協(xié)調(diào)優(yōu)化，方便維護(hù)。

附圖說明

圖1為矩陣整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

圖2為矩陣整流器輸入電流空間矢量圖；

圖3為矩陣整流器的合成矢量圖；

圖4為本實(shí)用新型的矩陣整流電路一個(gè)實(shí)施例的整體框圖；

圖5為圖4所示的輸入濾波器電路的一個(gè)實(shí)施例；

圖6為圖4所示的輸出濾波器電路的一個(gè)實(shí)施例；

圖7為圖4所示的輸入電壓檢測(cè)電路的一個(gè)實(shí)施例；

圖8為圖4所示的輸出電壓檢測(cè)電路的一個(gè)實(shí)施例；

圖9為圖4所示的輸入電流檢測(cè)電路的一個(gè)實(shí)施例；

圖10為圖4所示的輸出電流檢測(cè)電路的一個(gè)實(shí)施例；

圖11為圖4所示的通訊電路的一個(gè)實(shí)施例；

圖12為圖4所示的主電路的開關(guān)器件的一個(gè)實(shí)施例；

圖13為圖4所示的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的一個(gè)實(shí)施例。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型的矩陣整流電路由輸入濾波器電路、輸出濾波器電路、主電路、驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路、控制器(FPGA控制器+DSP控制器)、輸入電壓檢測(cè)電路、輸入電流檢測(cè)電路、輸出電壓檢測(cè)電路、輸出電流檢測(cè)電路、直流電源電路、通訊電路、觸摸屏、服務(wù)器、負(fù)載組成，如圖4。

關(guān)于輸入濾波器電路，矩陣整流電路的濾波器電路設(shè)計(jì)需要遵循的原則：濾波器的截止頻率要遠(yuǎn)低于矩陣整流器的開關(guān)頻率，這里取區(qū)間濾波器從電網(wǎng)側(cè)吸收的無(wú)功功率應(yīng)該盡可能??；考慮矩陣整流器的整體設(shè)計(jì)，濾波器的體積和重量應(yīng)該盡可能??；矩陣整流器在額定功率時(shí)，在濾波器的電感上的壓降盡可能小，因此，設(shè)計(jì)濾波器的電感壓降不超過3％，可得電感壓降ΔU：

式中，U_i為電網(wǎng)側(cè)輸入電壓，I_i為電網(wǎng)側(cè)輸入電流，ω為電網(wǎng)側(cè)電壓頻率,L_i為濾波器的電感，計(jì)算可得輸入電感L_i：

ΔU≤3％U_i

矩陣整流器主電路的電力電子器件，選擇的開關(guān)頻率為f＝10kHz，因此選擇輸入濾波器的電感L_i＝2mH，電容C_i＝22μF，如圖5，為輸入濾波器電路圖。

關(guān)于輸出濾波器電路，矩陣整流電路的主電路輸出的直流電壓，含有高次諧波，因此，需要在主電路和負(fù)載間加入輸出濾波器電路。

根據(jù)濾波器的截止頻率的計(jì)算公式：

式中，ω＝2πf_o，f_o為截止頻率，L_o為濾波器的電感，C₀為濾波器的電容，計(jì)算可得輸出濾波器的截止頻率f_o：

根據(jù)濾波器電路設(shè)計(jì)需要遵循的原則：濾波器的截止頻率要遠(yuǎn)低于矩陣整流器的開關(guān)頻率，這里取1/5，因此選擇輸出濾波器的電感L₀＝5mH，電容C₀＝47μF，如圖6，輸出濾波器電路圖。

關(guān)于輸入電壓檢測(cè)電路，矩陣整流電路的輸入電壓檢測(cè)電路采用霍爾電壓傳感器采集方案，選用CHV-25P霍爾電壓傳感器采集輸入相電壓。由于DSP控制器接受的直流電壓為0-3.3V，因此，霍爾電壓傳感器的輸出信號(hào)需要經(jīng)過調(diào)理電路，最終傳輸至DSP控制器。調(diào)理電路由兩級(jí)運(yùn)放組成，選用LM258雙運(yùn)放芯片。第一級(jí)運(yùn)放電路，輸入信號(hào)跟隨，增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾能力，提高輸入阻抗，第二級(jí)運(yùn)放電路，抬升電壓信號(hào)的電位，方便DSP控制器采樣，如圖7，為輸入電壓檢測(cè)電路圖。

關(guān)于輸出電壓檢測(cè)電路，矩陣整流電路的輸出電壓檢測(cè)電路采用霍爾電壓傳感器采集方案，選用CHV-25P霍爾電壓傳感器采集輸出電壓，如圖8，輸出電壓檢測(cè)電路圖。

關(guān)于矩陣整流電路的輸入電流檢測(cè)電路，采用霍爾電流傳感器采集方案，選用CHB-25NP霍爾電流傳感器采集輸入電流，如圖9，輸入電流檢測(cè)電路圖。

關(guān)于輸出電流檢測(cè)電路，矩陣整流電路的輸出電流檢測(cè)電路采用霍爾電流傳感器采集方案，選用CHB-25NP霍爾電流傳感器采集輸入電流，如圖10，輸出電流檢測(cè)電路圖。

關(guān)于矩陣整流電路的通訊電路，包括串口通訊和以太網(wǎng)通訊。其中，串口RS232通訊，采用MAX3232芯片轉(zhuǎn)換信號(hào)電平，可以和觸摸屏進(jìn)行串口通訊；使用ZNE-100TL芯片，可以將串口轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)，可以和服務(wù)器進(jìn)行以太網(wǎng)通訊，接口采用RJ45，如圖11，通訊電路圖。

關(guān)于矩陣整流電路的主電路，開關(guān)器件采用逆阻IGBT(IGBT with Reverse Blocking capability，RB-IGBT)，是一種雙向可控開關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)雙向電流導(dǎo)通、雙向電壓阻斷，能夠很好地滿足矩陣整流器出現(xiàn)在很多應(yīng)用場(chǎng)合，RB-IGBT拓?fù)鋱D如圖12所示。

關(guān)于矩陣整流器的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，如圖13所示，主要采用HCPL-316J，控制信號(hào)可以進(jìn)行信號(hào)放大，成為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用于開通RB-IGBT功率管。當(dāng)功率開關(guān)管出現(xiàn)過流時(shí)，可以切斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)，關(guān)掉RB-IGBT開關(guān)管，進(jìn)行保護(hù)，并輸出保護(hù)信號(hào)，無(wú)論驅(qū)動(dòng)還是保護(hù)功率管，信號(hào)都可以隔離。

關(guān)于控制器，由DSP控制器和FPGA控制器組成，二者共享地址線和數(shù)據(jù)線，自定義通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通共享。DSP控制器為TI公司的TMS320F28335，F(xiàn)PGA控制器為ALTERA公司的EP4CE6。DSP控制器主要負(fù)責(zé)采樣和算法，F(xiàn)PGA控制器主要負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)和保護(hù)。

關(guān)于直流電源電路，由開關(guān)電源和DC-DC模塊電源組成，均帶有隔離功能。開關(guān)電源為L(zhǎng)H40-40B24，DC-DC模塊電源為WRA2415-3W、VRB2405-MP、B2424-XT、B2415-XT。

本實(shí)用新型的矩陣整流電路，當(dāng)開關(guān)器件的開關(guān)頻率較高時(shí)，需要的交流側(cè)濾波器(即輸入濾波器)和直流側(cè)濾波器(即輸出濾波器)的體積小，因此矩陣整流器整體體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，效率高，壽命長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可靠性高，功能模塊化，能量密度高，方便維護(hù)。