CN104410289B - 一种双级式矩阵变换器驱动电源电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双级式矩阵变换器驱动电源电路，该双级式矩阵变换器驱动电源电路包括对称设置的两条支路，每条支路上串联一个光电耦合器电路和一个驱动电源电路，所述光电耦合器电路用于实现控制器信号和驱动信号隔离，所述驱动电源电路用于为光电耦合器副边提供电源；两条支路并联后连接到功率电路，所述功率电路即为双级式矩阵变换器的一部分。采用该驱动电源电路的双级式矩阵变换器取消了外接开关电源作为驱动电源，采用该方案使得双级式矩阵变换器充分利用输入电压产生所需驱动电压满足自身驱动要求，电路具有结构紧凑、成本低、电磁干扰小的优点，能够稳定、可靠的为系统提供驱动电源。

Description

一种双级式矩阵变换器驱动电源电路

技术领域

本发明涉及一种双级式矩阵变换器系统，尤其涉及一种双级式矩阵变换器驱动电源电路，属于矩阵变换器领域。

背景技术

目前工业中广泛应用的交-直-交变换器由于其直流母线的储能电容大多采用电解电容，电解液易挥发，降低了变换器的使用寿命及系统的可靠性，同时直流母线电容及输入侧电感体积较大，这限制了系统功率密度的提高。

在这种情况下，无任何储能元件的矩阵式变换器应运而生，与传统的交流变换器相比，它具有以下优点：(1)不需要大型储能元件，结构紧凑；(2)四象限运行的操作简单，容易实现单位功率因数。然而，这种拓扑结构在工业中未被广泛应用。其原因之一在于，它的换流控制和箝位保护电路复杂。而双级式矩阵变换器不仅继承了传统矩阵变换器的优点，同时也克服了传统矩阵变换器的许多局限问题：在一定约束条件下，可减少功率开关元件的数量，降低了系统成本与控制难度；箝位电路结构简单，省掉了两组三相桥式整流器，仅需一个二极管与电容串联即可实现箝位功能，进一步简化了硬件组成。因此，双级式矩阵变换器具有很大的发展潜力和应用前景，已引起了国内外许多学者的关注。

双级式矩阵变换器的拓扑结构如图1所示，双向开关级由6个双向开关SA、SA’、SB、SB’、SC、SC’组成，每个双向开关由两个IGBT共发射级连接构成。单向开关级由6个单向开关SU、SU’、SV、SV’、SW、SW’组成，每个单向开关即为普通IGBT。图2为双级式矩阵变换器现有驱动方案，以一个双向开关SA为例，控制器产生的两路驱动信号与光耦原边相连，光耦副边一端接上拉电阻至驱动电源VCC，一端接双向开关的共射级，这两路光耦可共用一路驱动电源VCC。在现有的驱动方案下，双向开关级需要6路隔离驱动电源，单向开关级需要4路隔离驱动电源。整个系统需要10路驱动电源，这大大增加了系统的成本和体积，这也是矩阵变换器目前应用较少的重要原因之一。此外，驱动电源一般均为开关电源，开关电源的引入增加了系统的电磁干扰，且驱动信号、控制信号对噪声很敏感，严重时甚至会影响到整个系统的正常运行。

若能减少或是取消外接驱动电源，一方面可以降低成本、减小系统的体积；另一方面能够减小电磁干扰。因此，采用一定的方案使得双级式矩阵变换器充分利用输入电压产生所需驱动电压满足自身驱动要求对双级式矩阵变换器的稳定正常运行以及应用推广具有重大的意义。

发明内容

所要解决的技术问题：

本发明的目的在于针对现有驱动方案存在成本高、电磁干扰强等缺点，提出一种新型低成本双级式矩阵变换器驱动电路，取消了外接驱动电源，一方面降低了系统成本，减小了系统体积；另一方面能够减小电磁干扰。

技术方案：

为了实现以上功能，本发明提供了一种双级式矩阵变换器驱动电源电路，其特征在于：该双级式矩阵变换器驱动电源电路包括对称设置的两条支路，每条支路上串联一个光电耦合器电路和一个驱动电源电路，所述光电耦合器电路用于实现控制器信号和驱动信号隔离，所述驱动电源电路用于为光电耦合器副边提供电源；两条支路并联后连接到功率电路，所述功率电路即为双级式矩阵变换器的一部分。

所述双级式矩阵变换器驱动电源电路分为双向开关级驱动电路和单向开关级驱动电路。

进一步的，所述双向开关级驱动电路具体包括：

第一光电耦合器电路、第二光电耦合器电路、第一驱动电源电路、第二驱动电源电路以及功率电路；

其中，所述第一光电耦合器电路包括第一光电耦合器和第一限流电阻，控制器驱动信号经所述第一限流电阻连接至第一光电耦合器原边的正端，光电耦合器原边的负端接地；所述第二光电耦合器电路的连接方法与第一光电耦合器电路相同；

所述第一驱动电源电路包括第一二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一NPN三极管、第一稳压管、第一电容器；所述第一二极管的负端连接至第一电阻和第二电阻的一端，所述第一电阻的另一端连接至所述第一NPN三极管的基极；所述第一NPN三极管的基极连接至所述第一稳压管的负端，所述第二电阻的另一端连接至所述第一NPN三极管的集电极，所述第一NPN三极管的发射极连接至所述第一电容器的一端，所述第一NPN三极管的发射极同时也连接至所述第三电阻的一端；所述第三电阻的另一端经所述第四电阻与IGBT开关管的门极相连，所述第一稳压管的正端和所述第一电容器的另一端一并连接接入点m；所述第二驱动电源电路的连接方法与第一驱动电源电路相同；

所述功率电路包括：两个IGBT开关管，所述IGBT开关管共发射极连接；连接点为m，每个开关均有一个反并联二极管。

进一步的，所述单向开关级驱动电路具体包括：

第一光电耦合器电路、第二光电耦合器电路、第一驱动电源电路、第二驱动电源电路以及功率电路；

其中，所述第一光电耦合器电路包括第一光电耦合器和第一限流电阻，控制器驱动信号经所述第一限流电阻连接至第一光电耦合器原边的正端，光电耦合器原边的负端接地；所述第二光电耦合器电路的连接方法与第一光电耦合器电路相同；

所述第一驱动电源电路包括第一二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一NPN三极管、第一稳压管、第一电容器；所述第一二极管的负端连接至第一电阻和第二电阻的一端，所述第一电阻的另一端连接至所述第一NPN三极管的基极，所述第一NPN三极管的基极连接至所述第一稳压管的负端，所述第二电阻的另一端连接至所述第一NPN三极管的集电极，所述第一NPN三极管的发射极连接至所述第一电容器的一端，所述第一NPN三极管的发射极同时也连接至所述第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端经所述第四电阻与IGBT开关管的门极相连，所述第一稳压管的正端和所述第一电容器的另一端一并连接至IGBT开关管的发射极；所述第二驱动电源电路的连接方法与第一驱动电源电路相同；

所述功率电路包括：两个IGBT开关管，两个IGBT开关管组成一个桥臂，其中第一IGBT开关管的发射极连接第二IGBT开关管的集电极，连接点为u，每个IGBT开关管均有一个反并联二极管。

一种采用上述双向开关级驱动电路以及上述单向开关级驱动电路作为驱动电源的双级式矩阵变换器，其特征在于：在双向开关级驱动电路中，包括6个双向开关级驱动电路；对于A、B、C三相，A相桥臂驱动电源电路的输入电压为双级式矩阵变换器B相的输入电压，B相桥臂驱动电源电路的输入电压为双级式矩阵变换器C相的输入电压，C相桥臂驱动电源电路的输入电压为双级式矩阵变换器A相的输入电压；

在单向开关级驱动电路中，包括3个单向开关级驱动电路；每个单向开关级驱动电路控制两个桥臂，对于每一相桥臂的驱动电路，驱动电源电路的输入电压均为直流母线正端电压。

有益效果：

与现有技术相比，本发明的双级式矩阵变换器驱动电源电路及双级式矩阵变换器的显著优点在于：

(1) 本发明的新型低成本驱动电路取消了外接驱动电源，充分利用双级式矩阵变换器的输入电压产生所需驱动电压，满足了自身的驱动要求；

(2) 本发明的新型低成本驱动电路硬件上只需要较少的器件，使系统体积更小，更紧凑，同时也降低了系统成本；

(3) 本发明的新型低成本驱动电路取消了开关电源，减小了系统的电磁干扰，使控制电路和驱动电路能够可靠、正常运行。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1 双级式矩阵变换器拓扑结构；

图2 双级式矩阵变换器现有驱动方案；

图3 本发明提出的双级式矩阵变换器驱动方案；

图4 本发明提出的双级式矩阵变换器双向开关级驱动电路；

图5 本发明提出的双级式矩阵变换器单向开关级驱动电路。

具体实施方式

本发明提供了双级式矩阵变换器驱动电源电路，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出的双级式矩阵变换器驱动方案如图3所示，整个驱动方案分为双向开关级驱动31和单向开关级驱动32两个部分。其中，双向开关级由6个驱动模块构成，每个驱动模块产生2路驱动信号；但单向开关级是由3个驱动模块构成，每个驱动模块产生2路驱动信号。下面分别以双向开关SA、单向开关SU和SU’为例介绍双向开关级驱动和单向开关级驱动。

实施例1

双级式矩阵变换器双向开关级驱动电路如图4所示，由光电耦合器电路41和42、驱动电源电路43和44组成。光电耦合器电路41包括：光耦原边限流电阻R10、光电耦合器U41。其中，控制器驱动信号GATE10经限流电阻R10与光电耦合器U41相连，U41原边的另一端接地。光电耦合器电路42与光电耦合器电路41相似。

驱动电源电路43包括：二极管D11、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、三极管Q11、电容C11、稳压管D12（15V）。其中，输入B相电压u _B经二极管D11分别与电阻R11和R12的一端连接，电阻R11的另一端与三极管Q11的基极相连，三极管Q11的基极与稳压管D12的负端相连，D12的正端与功率电路45的m端相连，电阻R12的另一端与三极管Q11的集电极相连，三极管Q11的发射极经电容C11与功率电路45的m端相连，上拉电阻R13一端与Q11的发射极相连，另一端与驱动电阻R14相连，R14的另一端与IGBT的栅极相连。驱动电源电路44与驱动电源电路43相似。

功率电路45包括：双向开关SA，其中，SA由两个IGBT开关SA_1和SA_2共发射极连接构成，连接点为m，每个开关SA_1和SA_2均有一个反并联二极管D13和D23。

由于SA_1和SA_2的驱动信号相同，以SA_1一路为例，其工作模态分为以下几个过程：

(1) 当u _B>u _A时，即i点电位高于m点电位，随着u _B的增加，I ₁逐渐增大。当I ₁达到Q11的开通电流时，Q11开通，u _B流经D11、R12、Q11一方面给光耦U41的副边提供电源，另一方面向C11充电，C11两端电压逐渐升高，R12为充电时的限流电阻，防止电容C11过流损坏，最终b、m两端电压被箝位在15V，C11两端的电压被箝位在15-u _be，其中u _be为Q11的be两端电压。

(2) 当u _B<=u _A时，即i点电位低于或等于m点电位（忽略二极管D2的压降），此时I ₁无法达到Q11的开通电流，Q11关断，电容C11两端电压直接加在e、m两端，驱动电源由电容C11支撑，二极管D11的存在防止电流从u _A回流至u _B侧，避免电容C11不必要的放电。

实施例2

双级式矩阵变换器单向开关级驱动电路如图5所示，由光电耦合器电路51和52、驱动电源电路53和54组成。光电耦合器电路51包括：光耦原边限流电阻R30、光电耦合器U51。其中，控制器驱动信号GATE30经限流电阻R30与光电耦合器U51相连，U51原边的另一端接地。光电耦合器电路52与光电耦合器电路51相似。

驱动电源电路53包括：二极管D31、电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、三极管Q31、电容C31、稳压管D32（15V）。其中，二极管D31的正极与开关管SU的集电极相连至直流母线的正端P，此处与双向开关级驱动电路有较大的区别。直流母线电压u _P经二极管D31分别与电阻R31和R32的一端连接，电阻R31的另一端与三极管Q31的基极相连，三极管Q31的基极与稳压管D32的负端相连，D32的正端与功率电路55的u端相连，电阻R32的另一端与三极管Q31的集电极相连，三极管Q31的发射极经电容C31与功率电路55的u端相连，上拉电阻R33一端与Q31的发射极相连，另一端与驱动电阻R34相连，R34的另一端与IGBT的栅极相连。驱动电源电路54与驱动电源电路53相似。

功率电路55包括：两个IGBT（SU和SU’）组成的一个桥臂，其中，SU的发射极与SU’的集电极相连，连接点为U，每个开关管SU和SU’均有一个反并联二极管D33和D43。

以SU和SU’组成的桥臂为例，其工作模态分为以下几个过程：

(1) 当主开关管SU关断时，p点电位高于u点电位。当I ₁达到三极管Q31的开通电流时，三极管Q31开通，u _P流经D31、R32、Q31一方面给光耦U51的副边提供电源，另一方面向C31充电，C31两端电压逐渐升高，R32为充电时的限流电阻，防止电容C31过流损坏，最终b1、u两端电压被箝位在15V，C31两端的电压被箝位在15-u _b1e1，其中u _b1e1为Q31的b1e1两端电压。

(2) 当主开关管SU开通时，p点电位近似于u点电位（忽略开关管SU的管压降），此时I ₁无法达到Q31的开通电流，Q31关断，电容C31两端电压直接加在e1、u两端，驱动电源由电容C31支撑，二极管D31的存在防止电流回流至u _P。

对于下桥臂开关管SU’，无论SU’开通还是关断，u _P流经D41、R42、Q41一方面给光耦U52的副边提供电源，另一方面向C41充电，C41两端电压逐渐升高，R42为充电时的限流电阻，防止电容C41过流损坏，最终b2、n两端电压被箝位在15V，C41两端的电压被箝位在15-u _b2e2，其中u _b2e2为Q41的b2e2两端电压。

根据图3所示的本发明提出的双级式矩阵变换器驱动方案以及图4、图5所示的双向开关级驱动电路和单向开关级驱动电路，与传统采用开关电源作为驱动电源的系统相比，本发明提出的双级式矩阵变换器驱动电源电路具有结构简单紧凑、成本低、电磁干扰小等优点，能够稳定、可靠的为系统提供驱动电源。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种双级式矩阵变换器，其特征在于：该双级式矩阵变换器驱动电源电路包括对称设置的两条支路，每条支路上串联一个光电耦合器电路和一个驱动电源电路，所述光电耦合器电路用于实现控制器信号和驱动信号隔离，所述驱动电源电路用于为光电耦合器副边提供电源；两条支路并联后连接到功率电路，所述功率电路即为双级式矩阵变换器的一部分；

所述双级式矩阵变换器驱动电源电路分为双向开关级驱动电路和单向开关级驱动电路；

所述双向开关级驱动电路具体包括：

第一光电耦合器电路、第二光电耦合器电路、第一驱动电源电路、第二驱动电源电路以及功率电路；

其中，所述第一光电耦合器电路包括第一光电耦合器和第一限流电阻，控制器驱动信号经所述第一限流电阻连接至第一光电耦合器原边的正端，光电耦合器原边的负端接地；所述第二光电耦合器电路的连接方法与第一光电耦合器电路相同；

所述第一驱动电源电路包括第一二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一NPN三极管、第一稳压管、第一电容器；所述第一二极管的负端连接至第一电阻和第二电阻的一端，所述第一电阻的另一端连接至所述第一NPN三极管的基极；所述第一NPN三极管的基极连接至所述第一稳压管的负端，所述第二电阻的另一端连接至所述第一NPN三极管的集电极，所述第一NPN三极管的发射极连接至所述第一电容器的一端，所述第一NPN三极管的发射极同时也连接至所述第三电阻的一端；所述第三电阻的另一端经所述第四电阻与IGBT开关管的门极相连，所述第一稳压管的正端和所述第一电容器的另一端一并连接接入点m；所述第二驱动电源电路的连接方法与第一驱动电源电路相同；

所述功率电路包括：两个IGBT开关管，所述IGBT开关管共发射极连接；连接点为m，每个开关均有一个反并联二极管；

在双向开关级驱动电路中，包括6个双向开关级驱动电路；对于A、B、C三相，A相桥臂驱动电源电路的输入电压为双级式矩阵变换器B相的输入电压，B相桥臂驱动电源电路的输入电压为双级式矩阵变换器C相的输入电压，C相桥臂驱动电源电路的输入电压为双级式矩阵变换器A相的输入电压；

在单向开关级驱动电路中，包括3个单向开关级驱动电路；每个单向开关级驱动电路控制两个桥臂，对于每一相桥臂的驱动电路，驱动电源电路的输入电压均为直流母线正端电压。

2.一种双级式矩阵变换器，其特征在于：该双级式矩阵变换器驱动电源电路包括对称设置的两条支路，每条支路上串联一个光电耦合器电路和一个驱动电源电路，所述光电耦合器电路用于实现控制器信号和驱动信号隔离，所述驱动电源电路用于为光电耦合器副边提供电源；两条支路并联后连接到功率电路，所述功率电路即为双级式矩阵变换器的一部分；

所述双级式矩阵变换器驱动电源电路分为双向开关级驱动电路和单向开关级驱动电路；

所述单向开关级驱动电路具体包括：

第一光电耦合器电路、第二光电耦合器电路、第一驱动电源电路、第二驱动电源电路以及功率电路；

其中，所述第一光电耦合器电路包括第一光电耦合器和第一限流电阻，控制器驱动信号经所述第一限流电阻连接至第一光电耦合器原边的正端，光电耦合器原边的负端接地；所述第二光电耦合器电路的连接方法与第一光电耦合器电路相同；

所述第一驱动电源电路包括第一二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一NPN三极管、第一稳压管、第一电容器；所述第一二极管的负端连接至第一电阻和第二电阻的一端，所述第一电阻的另一端连接至所述第一NPN三极管的基极，所述第一NPN三极管的基极连接至所述第一稳压管的负端，所述第二电阻的另一端连接至所述第一NPN三极管的集电极，所述第一NPN三极管的发射极连接至所述第一电容器的一端，所述第一NPN三极管的发射极同时也连接至所述第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端经所述第四电阻与IGBT开关管的门极相连，所述第一稳压管的正端和所述第一电容器的另一端一并连接至IGBT开关管的发射极；所述第二驱动电源电路的连接方法与第一驱动电源电路相同；

所述功率电路包括：两个IGBT开关管，两个IGBT开关管组成一个桥臂，其中第一IGBT开关管的发射极连接第二IGBT开关管的集电极，连接点为u，每个IGBT开关管均有一个反并联二极管；

在双向开关级驱动电路中，包括6个双向开关级驱动电路；对于A、B、C三相，A相桥臂驱动电源电路的输入电压为双级式矩阵变换器B相的输入电压，B相桥臂驱动电源电路的输入电压为双级式矩阵变换器C相的输入电压，C相桥臂驱动电源电路的输入电压为双级式矩阵变换器A相的输入电压；

在单向开关级驱动电路中，包括3个单向开关级驱动电路；每个单向开关级驱动电路控制两个桥臂，对于每一相桥臂的驱动电路，驱动电源电路的输入电压均为直流母线正端电压。