矩阵式单相电源调压技术

3 简化的矩阵式单相电源调压器

简化后的单相电源变换电路如图2所示。其工作原理为：利用固定占空比的PWM脉冲波驱动SB₁，将等宽的电源脉冲电压施加到变压器的原边，同时利用上述PWM脉冲的补脉冲驱动SB₂，实现变压器的原边电流续流。只要输出滤波器参数设计合理，就可以得到高正弦度的输出电压波形，开关频率越高效果越好。上述SB₁与SB₂之间的换流方式由一步完成，简称一步换流方式。

由图2，这种变换器的设计难点在于双向可控开关SB₁与SB₂之间的是否能够安全切换。因为开关非理想特性，在二者之间换流时存在电源直通与变压器原边开路的可能性，而这两点是不期望的。为此必须在二者切换时采取安全换流策略。

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％)