??? 摘 要： 提出了一種基于矩陣變換器" title="矩陣變換器">矩陣變換器結構的充電機拓撲電路，并對其調制策略" title="調制策略">調制策略和換流策略" title="換流策略">換流策略進行了研究，然后用Matlab/Simulink和M函數進行了仿真。最后研制了一個1kW的樣機，并給出了試驗波形，證明了方案的可行性。
??? 關鍵詞： 充電機；矩陣變換器；調制策略；換流策略
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??? 傳統的電池充電方法大多采用不控整流加DC/DC變換的方式，這種方法具有技術成熟，控制方案簡單等優點，但其中間的直流環節需要大容量的儲能元件，因而對實現裝置的小型化不利。本文提出了一種基于矩陣變換器結構的充電機拓撲電路，其主電路結構如圖1所示。由圖可見，由于該電路中高頻變壓器的原邊側不存在直流環節，因而無需大容量的儲能元件，當功率等級增加時，有利于減小裝置的體積，而且還具有功率因數高的優點。
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1 換流策略
??? 由于不存在自然的電流續流通路，而且通常矩陣變換器的輸入側都呈容性，輸出側都呈感性，因而在換流時其輸入側一定不能短路，輸出側一定不能開路，因此死區換向和重疊換向都不適用于矩陣變換器，這就使得矩陣變換器中雙向開關的可靠電流換向變得復雜而困難。雙向開關的換向不可能在一步內完成，目前普遍采用的是多步換流策略。本文采用的是四步換流策略。下面以圖2所示的單相斬波器為例來加以說明。
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???? 假定某一時刻電源電壓上正下負，開關管S1f和S1r開通，電路處于向負載供電的狀態， 下一時刻，若想將S1f和S1r關斷" title="關斷">關斷，S2f和S2r開通，則可以按照下面的順序進行開關的換向。
??? (1)開通S2f，此時，由于電源電壓上正下負， 因而不會出現短路的情況。
??? (2)斷開S1f，此時，無論電流的方向如何，都不會引起短路或開路的情況。
??? (3)開通S2r，由于S1f已經關斷，所以不會形成短路。
??? (4)斷開S1r，此時S2r已經開通，可以導通反向電流，所以S1r可以安全斷開。
??? 其余情況可以類似分析得到。
2 調制策略
??? 電壓調制的目的是將輸入側的三相交流電壓調制成正負對稱的高頻脈沖電壓，具體執行的原理為：采樣兩相電壓信號，進行A/D轉換，利用U1+U2+U3=0計算出第三相電壓的大小，然后根據各電壓的正負情況確定采樣時刻電壓所處的扇區，這里，將圖3中陰影所示的部分確定為第一扇區。通過對圖中陰影部分以及其他扇區的觀察，可以得出：在任意一個扇區內，總有兩相電壓符號與第三相電壓的符號相反，并且第三相電壓在該扇區內達到最大值。下面，以圖3中陰影部分的扇區為例介紹本文中所采用的調制策略。
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? 由于開關頻率遠遠大于線電壓的頻率，線電壓V12和V13可以被看作是緩慢變化的直流電壓。因此，在任意60°扇區內，該變換器可被分析成兩個交替運行的全橋變換器子拓撲。該扇區的兩個子拓撲如圖4所示。
??? 圖5給出了該60°間隔內的理論波形，并顯著增加了開關周期Tc的時間長度以便能夠觀察到PWM的細節。圖中的不同部分根據產生波形的不同子拓撲而涂上了不同的陰影。每個開關周期開始時首先使用子拓撲y。開關q11和q23開通，在A和B兩點產生一個正的電壓脈沖，同時一個電流脈沖" title="電流脈沖">電流脈沖從相1流入相3。為了維持高頻變壓器的磁通平衡，接下來通過開通開關q13和q21在A和B兩點產生一個負的電壓脈沖。這兩個電壓脈沖被一個零電壓間隔分隔開，并且在整個開關周期內零電壓間隔的時間長度應相等。在剩余的開關周期內，利用子拓撲x在A和B兩點產生另外兩個電壓脈沖，同時也產生兩個從相1流入相2的電流脈沖。假定變換器的輸出電流恒定，相電流由恒幅的電流脈沖合成，如果平均相電流(i1，i2，i3)為正弦，并且與相電壓同相，子拓撲x產生的電流脈沖的時間長度就要與相電壓v2成比例，同樣，子拓撲y產生的電流脈沖的時間長度就要與相電壓v3成比例。如果這些條件都滿足了，電流i1也是正弦的，并且與v1同相，因為三相系統是對稱的，所以有i1=-i2-i3。
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??? 以上調制策略可以總結如下。如果給定輸入相電壓為：?
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??? 設子拓撲x和y產生的電流脈沖的占空比分別為dx和dy，在圖5中陰影部分的時間間隔內分別為：
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式中，0≤Dm<1為調制指數。由以上可以得到輸出電壓的表達式為：
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式中，n為變壓器的匝比，n=Nsec/Nprim。將(1)式和(2)式代入(3)式，經過基本的三角變換可以得到輸出電壓的表達式如下：
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3 仿真
??? 為驗證本文所采用的換流策略和調制策略的正確性，特利用Matlab/Simulink對單相交流斬波器進行仿真，仿真波形如圖6和圖7所示。另外，還利用Matlab的M函數對矩陣變換器的調制策略進行仿真，仿真波形如圖8所示。圖9是三相輸入電壓與輸出電壓的展開波形。
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??? 由圖可見，開關管沒有出現大的電流尖峰或電壓尖峰。除了由于IGBT自身寄生電感（仿真時設置為1μH）的原因，在IGBT關斷時出現較小的電壓尖峰外，并沒有出現大的電壓尖峰，因而換流是安全可行的。
4 試驗結果
??? 在驗證了本文采用的換流策略和調制策略的可行性之后，研制了一個1kW的樣機，圖10～圖12是試驗過程中采集到的波形。
??? 矩陣變換器的提出至今已有三十多年的歷史，盡管在其提出的早期由于受微處理器水平和制造工藝等的限制影響了它的實用化步伐，但其眾多的優點還是吸引了無數的專家和學者對其進行了孜孜不倦的長期研究。本文對矩陣變換器的換流策略和調制策略進行了研究，并利用一個三相到單相的矩陣變換器制作了一臺1kW的充電機，取得了較好的試驗波形，證明了該方案的可行性。
參考文獻
[1] WHEELER P W，RODRIGUEZ J，CLARE J C，et al.Matrix converters：A Technology Review.IEEE，APRIL 2002.
[2] VLATKOVIC V，BOROJEVIC D，LEE F C.A Zerovoltage?switched，three-phase isolated PWM buck rectifier.IEEE
???? Transactions，1995，10(2).