基于碳化硅的高功率密度矩阵变换器

黄 蕾

(上海正泰电源系统有限公司, 上海 201614)

0 引 言

用于三相交流传动的PWM变流器,在很多场合,希望变流器网侧输入电流具有单位功率因数、变流器负载侧输出可变频的三相正弦输出电压,同时变流器具有较高的工作效率和调整带宽。传统的三相PWM变流器一般为两级式AC/DC/AC背靠背结构,存在中间的直流环节,直流环节上接有储能元件[1-5]。电压型变流器直流环节储能元件为电容,电流型变流器的直流环节储能元件为电感。由于AC/DC/AC两级结构背靠背变流器存在中间储能元件,其输入侧瞬时功率和输出侧瞬时功率之差可以被储能元件吸收或释放,因此其前级整流环节和后级逆变环节在控制上可以解耦,简化变流器控制器设计[6-10]。

与背靠背两级结构变流器不同,矩阵变换器直接将三相输入交流电压变换为幅值和频率可调的三相正弦电压,没有中间直流环节,也不需要直流侧储能元件。

1 各种矩阵变换器结构

直接式矩阵变换器如图1所示。直接式矩阵变换器是最传统的矩阵变换器结构,每个输入相和每个输出相都有一个双向开关联接,可以电压电流四象限工作、能量双向流动,缺点是开关换流复杂。

间接式矩阵变换器如图2所示。间接式矩阵变换器存在直流母线,但没有储能电容,整流器部分为电流型控制,逆变器部分为电压型控制。直流母线电压单方向,母线电流双向流动。该电路优点是换流容易,且逆变侧为零电压开关,缺点是每相输入和输出之间存在3个开关元件。

稀疏式矩阵变换器如图3所示。稀疏式矩阵变换器与间接式矩阵变换器相比,稀疏式矩阵变换器少用3个功率管,其负载一般存在功率因数限制。

非常稀疏式矩阵变换器如图4所示。非常稀疏式矩阵变换器与间接矩阵变换器相比,少用6个功率管,缺点是每相输入和输出之间存在4个开关元件,且负载存在功率因数限制。

12开关、9开关特别稀疏式矩阵变换器分别如图5和图6所示。特别稀疏式矩阵变换器优点是所用器件较少,缺点是直流母线电压和电流均为单方向,变流器能量单向流动。

2 碳化硅JFET直接式矩阵变换器设计要求

矩阵变换器没有中间储能环节,输入和输出无法解耦,其输出电压容易受到输入电压扰动和负载扰动的影响,控制策略较为复杂且实际控制效果不如两级式变流器,目前应用并不广泛[11-14]。但在如多电飞机等某些对变流器体积和寿命要求较严格的场合,矩阵变换器具有较大优势:一方面矩阵变换器没有储能元件,体积可以比同样容量的两级结构变流器小;另一方面矩阵变换器不需要电解电容器,也就不需要考虑电解电容寿命问题。

碳化硅结型场效应晶体管(SiC junction Field Effect Transistor,SiC-JFET)为新一代宽带隙电力电子器件,具有高电压应力、低通态阻抗、高开关频率的特点,适合应用于如高功率密度矩阵变换器等场合[15-18]。本文基于新型SiC-JFET,设计了应用于多电飞机永磁同步电机驱动的具有高开关频率、高功率密度特点的直接式矩阵变换器,SiC-JFET直接式矩阵变换器电路如图7所示。需要指出的是,图7中二极管为SiC-JFET寄生体二极管,为碳化硅材料,但并非肖特基结构二极管,因此仍存在轻微的二极管反向恢复过程。

由于所选SiC-JFET为常导型器件,在驱动电路设计上为零电压导通,负电压关断。SiC-JFET驱动电路原理如图8所示。

3 直接式矩阵变换器的调制方法

直接式矩阵变换器如图9所示。间接式矩阵变换器如图10所示。

为了方便分析,在图9和图10的矩阵变换器模型中,以双向可通断开关代替图1中实际开关元件。对于直接式矩阵变换器,每相输入电压和输出电压均有一个双向开关联接,其输入电压和输出电压传输方程:

(1)

对于间接式矩阵变换器,每相输入和输出之间存在正直流母线和负直流母线两个电流通路,如对于输入a相和输出A相,开关S1和S7导通或开关S4和S10导通均可以实现输入a相和输出A相相联,因此其输入电压和输出电压的传输方程为

(2)

由于直接式矩阵变换器和间接式矩阵变换器仅有电路结构的区别,对于三相输入和输出,两种变流器等效。因此,结合式(1)和式(2),可以得到

(3)

根据式(3)可得,任何一种间接式矩阵变换器的开关状态都对应唯一直接式矩阵变换器的开关状态,因此只要得到间接式矩阵变换器的开关调制状态,根据式(3),可以推出直接式矩阵变换器调制状态。

间接式矩阵变换器采用Laszlo Huber和Dusan Borojevic 提出的双空间矢量法进行调制。基于双空间矢量法,间接式矩阵变换器可以分为前级整流环节和后级逆变环节,前级整流环节按照电流源整流器的调制方法调制,后级逆变环节按照电压源逆变器的调制方法调制。

间接式矩阵变换器整流侧电流空间矢量扇区划分如图11所示。以图11扇区Ⅰ为例,分析间接式矩阵变换器整流环节调制,在扇区Ⅰ存在非零矢量开关状态ab、ac和零矢量开关状态aa、bb、cc。由于间接式矩阵变换器整流环节和逆变环节

的零矢量状态对于矩阵变换器是等效的,在整流环节以最大调制比调节,不设零矢量状态,则

dab+dac=1

(4)

在一个开关周期中,间接式矩阵变换器输入侧各相电流与直流母线电流关系表示为

(5)

为了使输入侧电流具有单位功率因数,输入各相电流应与同相输入电压成正比,由此可以得到开关占空比:

(6)

得到扇区Ⅰ间接式矩阵变换器开关状态占空比后,一个开关周期内间接式矩阵变换器直流母线电压、电流如图12所示。

在虚拟直流母线电压确定后,间接式矩阵变换器后级逆变环节可以按照电压型空间矢量调制方法进行调制。间接式矩阵变换器逆变侧电压空间矢量扇区划分如图13所示。在扇区Ⅰ,逆变环节各矢量占空比如式(7)。

(7)

在间接式矩阵变换器的开关调制状态确定后,按照式(3)进行转换,可以得到直接式矩阵变换器的调制状态。

4 直接式矩阵变换器的换流方法

直接式矩阵变换器在换流上要求输入侧任何两相之间不能短路,负载侧任何一相都不能开路,这就要求设计合适的矩阵变换器换流方法。

最传统的换流方法为Burany提出的四步换流法,按照通过输入侧电压判断和根据输出侧负载电流判断,分为电压四步换流法和电流四步换流法。电压四步换流法的具体实现如图14所示。双向开关从联通aB转换到联通bB,输入电压ua>ub,不检测负载电流iB方向,为了在不判断负载电流方向的基础上实现负载电流不开路,第一步首先开通VTbB,此时由于VDbB反向阻断,负载电流仍然流过输入a相,第二步关断VTaB,此时如果负载电流方向为流出矩阵变换器,则负载电流换向到输入b相,同时存在VTaB关断损耗,反之则负载电流仍然流过输入a相。第三步导通VTBb,由于VDBa反向阻断,如果负载电流方向为流入矩阵变换器,则此时负载电流换向到输入b相,同时存在VTBb开通损耗和VDBa反向恢复损耗;第四步关断VTBa,完成换流。

电流四步换流法具体实现如图15所示。双向开关从联通aB转换到联通bB,负载电流iB>0,不检测输入电压方向,为了在不判断输入电压方向的基础上实现输入相间不短路,第一步首先关断VTBa,第二步开通VTbB,如果相电压ua>ub,由于VDbB反向阻断,负载电流仍然流过输入a相;反之负载电流换流到输入b相,同时存在VTbB开通损耗和VDaB反向恢复损耗。第三步关断VTaB,如果相电压ua

四步换流法换流次数较多,对于高开关频率矩阵变换器,容易造成一定的占空比损失。电压两步换流法具体实现如图16所示。其换流思路是在稳态时,除了需要联接输入相和输出相的双向开关保持导通外,另外两组双向开关中不引起输入相间短路的开关也保持导通状态,这样在换流时可以有效减少换流步骤。由于电压两步换流法在任何时刻都有尽量多的功率管保持开通状态,故存在输入侧相间短路危险。

电压两步换流法具有与电压或电流四步换流法相同的开关损耗。电压两步换流法和电压四步换流法面对的共同问题是在输入电压瞬时值接近的两相间进行换流时,容易出现输入侧相间短路危险。很多文献提出在输入电压过渡区间采用替代或换序的方法进行换流,即不对输入电压瞬时值接近的两相输入直接换流,而是在中间插入输入电压瞬时值差容易判断的第三相输入以确保换流安全。如果只是在换流过程中插入第三相输入,会相应增加换流步骤,也容易引起输入电流和输出电压畸变;如果是在一个开关周期中采用换序的方法插入第三相输入,一般需要设计特殊的调制策略。

针对上述换流方法的问题和SiC器件瞬时过流能力强的特点,本文通过同时判断输入线电压和输出负载电流方向,设计了四步、三步换流和直接换流相结合的换流方案。三步换流法具体实现如图17所示。在矩阵变换器输入线电压和输出负载电流方向均可以判断时,采用图17(a)的电压电流三步换流法可以解决电压四步换流法在第二步换流和第三步换流之间必然有一步没有实际作用的问题;采用图17(b)的电流或电压三步换流法可以解决电流四步换流法在第二步换流和第三步换流之间必然有一步没有实际作用的问题。在矩阵变换器输入线电压或输出负载电流方向无法判断时,分别采用电流四步换流法或电压四步换流法进行换流。在矩阵变换器输入线电压和输出负载电流方向均无法判断时,基于SiC器件开关速度快和瞬时过流能力强的特点,矩阵变换器直接换流如图18所示。

5 直接式矩阵变换器的硬件设计

设计基于SiC-JFET的直接式矩阵变换器应用于多电飞机永磁同步电机驱动,设计容量为3 kVA,开关频率为200 kHz,选用1 200 V/6 A SiC-JFET,封装TO220,通态电阻为0.55 Ω,寄生二极管压降为2.8 V。SiC-JFET矩阵变换器样机如图19所示。整个样机为层叠式结构,最底层为散热器基板,由于矩阵变换器工作时其散热器基板紧密联接在永磁同步电机外壳上,靠电机外壳给矩阵变换器散热,因此这里散热器基板无散热叶片。SiC-JFET安装在散热器基板上,SiC-JFET之间的电路联接在功率PCB板上实现,功率PCB板上还联接有输入交流电容、负载电流传感器和输出共模滤波器。功率PCB板上方是SiC-JFET驱动板,驱动板上方是控制板,包括辅助电源电路、DSP-FPGA采样控制电路,电路最顶端是输入EMI电路板。样机尺寸长宽高分别为265 mm、85 mm和45 mm,体积为1.013 L,功率密度为3 kVA/L。

6 直接式矩阵变换器的实验结果

调制比m=0.95时矩阵变换器输入电压、电流和输出电流波形如图20所示。

调制比m=0.95时矩阵变换器输入电流和输出电压、电流波形如图21所示。

调制比m=0.1时矩阵变换器输入电压、电流和输出电流波形如图22所示。

调制比m=0.1时矩阵变换器输入电流和输出电压、电流波形如图23所示。

SiC-JFET矩阵变换器效率如图24所示,矩阵变换器在开关频率200 kHz时最高效率为93.7%。

7 结 语

矩阵变换器是直接进行交流到交流转换的变流器,矩阵变换器不需要直流储能环节,适合于需要较高功率密度的电机驱动场合。设计了基于1 200 V/6 A SiC-JFET的直接式矩阵变换器样机,样机开关频率200 kHz,功率密度3 kVA/L,满载效率93.7%。采用三步换流法、四步换流法和直接换流法相结合的换流方法,适合应用于SiC-JFET的直接式矩阵变换器。