1  引言

    單相交流電源的應用是非常廣泛的，比如在農村、輕工業、家用電器等小功率傳動領域以及電力機車供電系統。對于單相交流電源，調壓和穩壓是最為普遍的要求。目前能夠實現這一要求的調壓器有下面三種。

    1）磁飽和式調壓器該調壓器通過控制主電路中電感的飽和程度，以改變電抗值以及其上的電壓，實現對輸出電壓的調節。這種調壓器具有一定的動態性能，但輸出電壓的調節范圍小，體積和重量較大。

    2）機械式調壓器機械式調壓器由電動機帶動碳刷實現輸出電壓的調節。這種調壓器輸出波形較好，但體積、重量大，動態性能差。

    3）電子式調壓器這種調壓器采用電力電子器件實現。目前有晶閘管調壓器和逆變式調壓器兩種。晶閘管調壓器采用的是相控方式，因此其輸出波形差；逆變式調壓器采用的是斬波控制方式，其輸出波形和動態響應較好。

    從上面可知，逆變式電子調壓器具有最好的性能。逆變式電子調壓器的結構不僅具有調壓、穩壓的能力，而且還可以實現頻率的變換。它是通過AC/DC/AC變換實現的。具有中間直流環節——儲能電容和變換效率低是它的不足。隨著現代電力電子技術的發展，單相電源變換技術也有了很大的進步，先后出現了多種利用全控器件的交交直接變換方案。例如Han-Wood Park等提出了一種新穎的高性能單相交流調壓器^[1]；Douglas Giardini等提出了一種用于機場的航空照明矩陣式單相降壓變換器^[2]；Zuckerberger等提出了一種具有輸出電壓調幅調頻能力的單相-單相矩陣式變換技術^[3]。本文基于矩陣式變換理論，提出一種矩陣式單相電源變換電路，該電路只使用兩個雙向開關管，可以實現輸出電壓連續可調及獲得高正弦度的輸入電流波形。

2  矩陣式單相電源調壓原理

    單相-單相矩陣式電力變換的典型拓撲如圖1所示。通過一組開關函數可以將輸入的工頻交流電壓轉換成幅值與頻率可調的單相交流電壓，其中S₁₁～S₂₂為4只雙向可控開關。

圖1  單 相-單 相 矩 陣 式 電 力 變 換 器 拓 撲

    將單相電源視為兩相電源，單相-單相矩陣式變換器期望輸出兩相余弦電壓v_o1(t)和v_o2(t)，包含 輸 出0 Hz， 其 中 四 象 限 開 關 （ 4QS）S₁₁與S₁₂負 責 產 生v_o1(t)，S₂₁與S₂₂負 責 產 生v_o2(t)。 輸 出 目 標 函 數 為 兩 相 正 弦 函 數 ， 這 種 方 法 可 以 稱 為 SPWM法 。

    令 輸 出 目 標 函 數 為

           (1)

    設電源電壓為v_i(t)=V_isin(ω_it)，則期望輸出電壓為

             (2)

式中：V_o1與V_o2分別為v_o1(t)與v_o2(t)的有效值。

    可得開關函數矩陣

    H=,(3)

式中：h_ij代表對應雙向可控開關的瞬時占空比，0≤h_ij≤1，i、j=1，2，h₁₁＋h₁₂=1，h₂₁＋h₂₂=1；

      q_o1與q_o2為電壓變比；

          θ∈[0,2π]。

    注意當輸入電壓過零時，開關函數不再收斂，需要利用L′hospital法則處理。這種控制方法有以下優點：

    1）q_o1與q_o2獨立可調，則輸出電壓范圍擴大；

    2）開關利用率大大增強；

    3）三次諧波注入PWM、開關損耗最小PWM、基于開關函數SVPWM等方法能夠直接采用。

    通過對上述變換器拓撲的分析，對于單相輸出可以簡化電路的結構。將雙向開關4QS－S₂₂短接、4QS－S₁₂開路。

3  簡化的矩陣式單相電源調壓器

    簡化后的單相電源變換電路如圖2所示。其工作原理為：利用固定占空比的PWM脈沖波驅動SB₁，將等寬的電源脈沖電壓施加到變壓器的原邊，同時利用上述PWM脈沖的補脈沖驅動SB₂，實現變壓器的原邊電流續流。只要輸出濾波器參數設計合理，就可以得到高正弦度的輸出電壓波形，開關頻率越高效果越好。上述SB₁與SB₂之間的換流方式由一步完成，簡稱一步換流方式。

    由圖2，這種變換器的設計難點在于雙向可控開關SB₁與SB₂之間的是否能夠安全切換。因為開關非理想特性，在二者之間換流時存在電源直通與變壓器原邊開路的可能性，而這兩點是不期望的。為此必須在二者切換時采取安全換流策略。

    下面給出一種四步換流方式。這是一種根據電源電壓極性而確定的換流方式。根據電源電壓極性的不同將一個電源電壓周期劃分為兩個扇區，電源電壓正極性時定為扇區1，電源電壓負極性時定為扇區2。

圖2  簡 化 的 單 相 電 源 變 換 電 路

    1）扇區1內開關動作規則

    （1）預備

    開關狀態為Q₂、Q₄斷，Q₁、Q₃斷，工作狀態為等待。

    （2）正半周供電狀態

    按照期望開關周期與占空比使Q₁、Q₃開通，Q₂、Q₄斷，工作狀態為供電。

    （3）由供電狀態切換到續流狀態

    Q₄開通，延時→Q₁關斷，延時→Q₂開通，延時→Q₃關斷，工作狀態為續流。

    （4）由續流狀態切換到供電狀態

    Q₃開通，延時→Q₂關斷，延時→Q₁開通，延時→Q₄關斷，工作狀態為供電。

    2）扇區2內開關動作規則

    （1）預備

    開關狀態為Q₂、Q₄斷，Q₁、Q₃斷，工作狀態為等待。

    （2）負半周供電狀態

    按照期望開關周期與占空比使Q₁、Q₃開通，Q₂、Q₄斷，工作狀態為供電。

    （3）由供電狀態切換到續流狀態

    Q₂開通，延時→Q₃關斷，延時→Q₄開通，延時→Q₁關斷，工作狀態為續流。

    （4）由續流狀態切換到供電狀態

    Q₁開通，延時→Q₄關斷，延時→Q₃開通，延時→Q₂關斷，工作狀態為供電。

    在每個扇區內部，這種換流方式是安全的，只需要利用電壓傳感器準確快速地檢測電源電壓極性來確定扇區，而不需要電流傳感器檢測變壓器原邊電流的極性。當然，傳感器要有良好的線性度、快速性和光電隔離，由于電源電壓很穩定，其過零點的檢測比較準確可靠。扇區之間的切換不需要特別考慮，因為切換點只出現在電源電壓過零點，切換時只要保證變壓器的原邊續流有路徑即可。為此可以采取下述方法，即不論變壓器原邊電流與各開關此時處于什么狀態，首先開通Q₂和Q₄，進行續流，短暫延時后，再關閉Q₁和Q₃，然后再按照四步換流流程進行即可。

4  仿真結果

    采用PSPICE對采用四步換流方式的矩陣式單相電源調壓器進行仿真，為增強效果，仿真電路在變壓器原邊增加了一個濾波器，其中電感為1mH，電容為1μF。變壓器原邊電感為100mH，原邊電阻為2Ω，副邊為100mH，電壓變比為1。電源側濾波電容為2μF，濾波電感為2mH。負載電阻R_o=5Ω，輸出濾波電容C_o=10μF，輸出濾波電感L_o=20mH。電源為單相工頻交流電源，開關頻率為10kHz，功率開關為IGBT。圖4、圖6、圖8與圖10為占空比100％、95％、50％與7.5％時變壓器輸出電壓與負載電流波形，圖3、圖5、圖7與圖9為占空比100％、95％、50％與7.5％時電源電壓與電流波形。仿真表明，開關頻率越高，輸出電壓與電流波形正弦度越好；占空比越大，輸出電壓幅值越高；輸入電流波形的正弦度很高，對電網幾乎無諧波電流污染。

圖3  電 源 電 壓 與 電 流 波 形(D=100％)

圖4  變 壓 器 輸 出 電 壓 與 負 載 電 流 波 形(D=100％)

圖5  電 源 電 壓 與 電 流 波 形(D=95％)

圖6  變 壓 器 輸 出 電 壓 與 負 載 電 流 波 形(D=95％)

圖7  電 源 電 壓 與 電 流 波 形(D=50％)

圖8  變 壓 器 輸 出 電 壓 與 負 載 電 流 波 形(D=50％)

圖9  電 源 電 壓 與 電 流 波 形(D=7.5％)

圖10  變 壓 器 輸 出 電 壓 與 負 載 電 流 波 形(D=7.5％)

5  結語

    本文所提的矩陣式單相電源變換器具有開關器件數量少、中間無需儲能電容、輸出電壓連續可調、高正弦度輸入電流等特點，適用于恒頻調壓調速、UPS、工業加熱、調光器等應用場合。仿真結果驗證了四步換流策略是矩陣式單相電源變換器的一種安全換流技術。矩陣式單相電源變換器是電力電子技術與變壓器技術相結合的產物，當開關頻率很高時，變壓器體積和整機體積可以做得很小，這是一種有前途的單相電源變換裝置。