CN110212781B - 单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑及调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑及调制方法。拓扑包括依次连接的电源网络、前级矩阵变换器、高频变压器、后级矩阵变换器、输出滤波器和负载，采用高频变压器进行磁耦合及功率传递，使用电流型电路拓扑实现输出的电压和频率的变换。为使矩阵变换器双向开关合理工作，提出一种变压器前级电路整体式单极倍频和后级电路分立式相结合的解结耦调制策略。前级采用整体式控制方式实现了矩阵变换器的安全换流，有效抑制了因变压器漏感存在而产生的电压尖峰；后级采用分立式的控制方式减少了开关动作的次数，降低了装置的开关损耗，提高了系统的效率。并对调制原理和主电路工作状态进行了详细的模态分析。

Description

单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑及调制方法

技术领域

本发明涉及电力电子功率变换器拓扑及其调制领域，特别是涉及一种单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑及调制方法。

背景技术

在传统电网中，配电网变压器作为电压等级转换和能量传输的设备，有着十分重要的作用。传统的电力变压器具有结构简单、可靠性高、成本低等优点。同时，传统电力电子变压器本身存在着许多缺点：体积大、重量大、空载损耗较高、使用绝缘油造成环境污染；传统配电网变压器将交流电压通过铁芯和绕组由原边耦合到副边，以此来实现电压等级的变换。与此同时，绕组之间还具有电气隔离的作用。由于传统变压器不具备电压、电流可控的能力，原、副边只要有一侧出现任何电能质量问题，都会传递到另一侧，影响另一侧的正常运行；传统变压器需要配置专门的继电保护装置进行保护。电力电子技术利用电力电子器件对电能实现了变换和控制，它优化了电能使用，对改造传统产业和发展新兴产业创造了条件。电力电子变压器正是在这一背景下出现的，其解决了传统电力电子变压器功能上的不足，进一步推进了智能电网的发展。而且由于采用了高频变压器，大大降低了装置的体积和重量。因此，电力电子变压器可以实现各种交流和直流设备的即插即用功能。在电气隔离方面，电力电子变压器依靠全控型电力电子器件能够有效的隔离各个电力网络。当电力系统中出现电力污染源，如高频谐波时，电力电子变压器能够有效地将其隔绝在某个特定区域内以减小对电力系统的影响。当电力网络出现横向故障时，电力电子变压器也可以利用对前后级线路的隔离来有效地减小故障的影响范围。通过对电力电子变压器的控制，可以实现对分布式电源和各种用电负载的智能管理。并且，通过电力电子变压器来控制电网中常见的电气参量，还可以改变功率因数且能够对电压波动进行调整。因此，必须对电力电子变压器进行深入的研究以弥补传统配电网变压器的不足。

发明内容

本发明的目的是提供一种单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑及调制方法，能够实现输出稳定的交流电压，也可以实现输出频率可变的交流电压。前级通过使用电流型整体式单极倍频正弦脉宽调制(单极倍频SPWM)调制方法，消除了变压器原边的电压尖峰，实现了安全换流。后级采用电流型分立式混合脉宽调制(HPWM)调制方法，可减少开关动作的次数，降低装置的开关损耗，提高系统的效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑，包括依次连接的电源网络、前级矩阵变换器、高频变压器、后级矩阵变换器、输出滤波器和负载，所述前级矩阵变换器采用电流型整体式驱动方式以及单极倍频正弦脉宽调制方式，所述后级矩阵变换器采用电流型分立式驱动方式以及混合脉宽调制方式，所述电源网络的单相工频正弦交流电经所述前级矩阵变换器转化为正负交变的高频交流方波，然后经过所述高频变压器实现输出与输入之间的电气隔离并且耦合到高频变压器的副边，再经过所述后级矩阵变换器转化为工频交流电，最后所述工频交流电经过所述输出滤波器滤波后，给所述负载供电。

可选的，所述电源网络包括单相交流电源U_s和输入滤波器，所述输入滤波器包括电感L和电容C，所述单相交流电压U_s的正极与所述电感L的第一端相连；所述电感L的第二端与所述电容C的第一端连接，所述单相交流电压U_s的负极与所述电容C的第二端连接。

可选的，所述前级矩阵变换器包括可控开关管S_pah、可控开关管S_nah、可控开关管S_pal、可控开关管S_nal、可控开关管S_pbh、可控开关管S_nbh、可控开关管S_pbl和可控开关管S_nbl，所述电感L的第二端与所述可控开关管S_nal的集电极、所述可控开关管S_pal的集电极相连；所述单相交流电压U_s的负极与所述可控开关管S_nbl的集电极、所述可控开关管S_pbl的集电极相连；所述可控开关管S_pah的集电极分别与所述可控开关管S_pbh的集电极和所述高频变压器一次侧的正极相连；所述可控开关管S_pah的发射极与所述可控开关管S_nal的发射极相连；所述可控开关管S_nal的集电极与所述可控开关管S_pal的集电极相连；所述可控开关管S_pal的发射极与所述可控开关管S_nah的发射极相连；所述可控开关管S_nah的集电极与所述可控开关管S_nbh的集电极相连且与所述高频变压器一次侧的负极相连；所述可控开关管S_pbh的发射极与所述可控开关管S_nbl的发射极相连；所述可控开关管S_nbl的集电极与所述可控开关管S_pbl的集电极相连；所述可控开关管S_pbl的发射极与所述可控开关管S_nbh的发射极相连。

可选的，所述可控开关管S_pah和所述可控开关管S_nal构成一个双向开关管，所述可控开关管S_pbh和所述可控开关管S_nbl构成一个双向开关管，所述可控开关管S_nah和所述可控开关管S_pal构成一个双向开关管，所述可控开关管S_nbh和所述可控开关管S_pbl构成一个双向开关管。

可选的，所述后级矩阵变换器包括可控开关管S_p1、可控开关管S_p2、可控开关管S_p3、可控开关管S_p4、可控开关管S_n1、可控开关管S_n2、可控开关管S_n3和可控开关管S_n4；所述输出滤波器包括输出滤波电容C_f和输出滤波电感L_f；

所述可控开关管S_p1的发射极、所述可控开关管S_p3的发射极均与所述高频变压器二次侧的正极相连；所述可控开关管S_n1的发射极、所述可控开关管S_n3的发射极均与所述高频变压器二次侧的负极相连；所述可控开关管S_p1的发射极与所述可控开关管S_n2的发射极相连；所述可控开关管S_n2的集电极分别与所述可控开关管S_p2的集电极、所述输出滤波电容C_f的第一端、所述输出滤波电感L_f的第一端相连；所述可控开关管S_p2的发射极与所述可控开关管S_n1的发射极相连，所述可控开关管S_p3的发射极与所述可控开关管S_n4的发射极相连；所述可控开关管S_n4的集电极分别与所述可控开关管S_p4的集电极、所述输出滤波电容C_f的第二端相连，所述输出滤波电感L_f的第二端与所述负载的一端相连；所述输出滤波电容C_f的第二端与所述负载的另一端相连。

可选的，所述可控开关管S_p1和所述可控开关管S_n2构成一个双向开关管，所述可控开关管S_p3和所述可控开关管S_n4构成一个双向开关管，所述可控开关管S_n1和所述可控开关管S_p2，所述可控开关管S_n3和所述可控开关管S_p4构成一个双向开关管。

一种单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑的调制方法，其特征在于，所述调制方法基于变压器前级电路采用电流型整体式单极倍频正弦脉宽调制和后级电路采用电流型分立式混合脉宽调制相结合的解结耦调制策略，前级矩阵变换器采用电流型整体式驱动，即使用同一个驱动信号对双向开关管进行整体驱动；后级矩阵变换器采用电流型分立式驱动，即使用不同的驱动信号对双向开关管分别进行驱动。通过两种调制策略的结合，并且针对双向开关管引入“解结耦”调制思想，能够使矩阵变换器双向开关管更加合理的工作，控制整个电路进行同频同压，变频变压的输出。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

单相AC-AC电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑中，变压器前级电路与后级电路均为电流型电路拓扑，其前级矩阵变换器采用单极倍频SPWM解结耦调制策略，调制方法简单，用整体式控制方式实现了矩阵变换器的安全换流，有效抑制了因变压器存在漏感而产生的电压尖峰；后级矩阵变换器采用HPWM调制策略，采用分立式的控制方式减少了开关动作的次数，降低了装置的开关损耗，提高了系统的效率。通过两种调制策略的结合，并且针对双向开关管引入“解结耦”调制思想，能够使矩阵变换器双向开关管更加合理的工作，控制整个电路进行同频同压，变频变压的输出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑示意图；

图2为本发明的单相电流型AC-AC高频链矩阵式电力电子变压器解耦示意图；

图3为本发明变压器前级矩阵变换器的单相电流型单极倍频SPWM解结耦调制原理图；

图4为本发明变压器前级矩阵变换器的单极倍频SPWM整体式逻辑驱动图；

图5为本发明双向开关管的控制方式图；

图6为本发明变压器后级矩阵变换器的HPWM调制逻辑合成图；

图7为一个高频周期内的工作状态图；

图8为工作模态1的等效电路图；

图9为工作模态2的等效电路图；

图10为工作模态3的等效电路图；

图11为工作模态4的等效电路图；

图12为工作模态5的等效电路图；

图13为工作模态6的等效电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑及调制方法，能够实现输出稳定的交流电压，也可以实现输出频率可变的交流电压。前级通过使用电流型整体式单极倍频SPWM调制方法，消除了变压器原边的电压尖峰，实现了安全换流。后级采用电流型分立式HPWM调制方法，可减少开关动作的次数，降低装置的开关损耗，提高系统的效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

一种单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑，包括依次连接的电源网络、前级矩阵变换器、高频变压器、后级矩阵变换器、输出滤波器和负载，所述前级矩阵变换器采用电流型整体式驱动方式以及单极倍频正弦脉宽调制方式，所述后级矩阵变换器采用电流型分立式驱动方式以及混合脉宽调制方式，所述电源网络的单相工频正弦交流电经所述前级矩阵变换器转化为正负交变的高频交流方波，然后经过所述高频变压器实现输出与输入之间的电气隔离并且耦合到高频变压器的副边，再经过所述后级矩阵变换器转化为工频交流电，最后所述工频交流电经过所述输出滤波器滤波后，给所述负载供电。

所述电源网络包括单相交流电源U_s和输入滤波器，所述输入滤波器包括电感L和电容C，所述单相交流电压U_s的正极与所述电感L的第一端相连；所述电感L的第二端与所述电容C的第一端连接，所述单相交流电压U_s的负极与所述电容C的第二端连接。

所述前级矩阵变换器包括可控开关管S_pah、可控开关管S_nah、可控开关管S_pal、可控开关管S_nal、可控开关管S_pbh、可控开关管S_nbh、可控开关管S_pbl和可控开关管S_nbl，所述电感L的第二端与所述可控开关管S_nal的集电极、所述可控开关管S_pal的集电极相连；所述单相交流电压U_s的负极与所述可控开关管S_nbl的集电极、所述可控开关管S_pbl的集电极相连；所述可控开关管S_pah的集电极分别与所述可控开关管S_pbh的集电极和所述高频变压器一次侧的正极相连；所述可控开关管S_pah的发射极与所述可控开关管S_nal的发射极相连；所述可控开关管S_nal的集电极与所述可控开关管S_pal的集电极相连；所述可控开关管S_pal的发射极与所述可控开关管S_nah的发射极相连；所述可控开关管S_nah的集电极与所述可控开关管S_nbh的集电极相连且与所述高频变压器一次侧的负极相连；所述可控开关管S_pbh的发射极与所述可控开关管S_nbl的发射极相连；所述可控开关管S_nbl的集电极与所述可控开关管S_pbl的集电极相连；所述可控开关管S_pbl的发射极与所述可控开关管S_nbh的发射极相连。

所述可控开关管S_pah和所述可控开关管S_nal构成一个双向开关管，所述可控开关管S_pbh和所述可控开关管S_nbl构成一个双向开关管，所述可控开关管S_nah和所述可控开关管S_pal构成一个双向开关管，所述可控开关管S_nbh和所述可控开关管S_pbl构成一个双向开关管。

所述后级矩阵变换器包括可控开关管S_p1、可控开关管S_p2、可控开关管S_p3、可控开关管S_p4、可控开关管S_n1、可控开关管S_n2、可控开关管S_n3和可控开关管S_n4；所述输出滤波器包括输出滤波电容C_f和输出滤波电感L_f；

所述可控开关管S_p1的发射极、所述可控开关管S_p3的发射极均与所述高频变压器二次侧的正极相连；所述可控开关管S_n1的发射极、所述可控开关管S_n3的发射极均与所述高频变压器二次侧的负极相连；所述可控开关管S_p1的发射极与所述可控开关管S_n2的发射极相连；所述可控开关管S_n2的集电极分别与所述可控开关管S_p2的集电极、所述输出滤波电容C_f的第一端、所述输出滤波电感L_f的第一端相连；所述可控开关管S_p2的发射极与所述可控开关管S_n1的发射极相连，所述可控开关管S_p3的发射极与所述可控开关管S_n4的发射极相连；所述可控开关管S_n4的集电极分别与所述可控开关管S_p4的集电极、所述输出滤波电容C_f的第二端相连，所述输出滤波电感L_f的第二端与所述负载的一端相连；所述输出滤波电容C_f的第二端与所述负载的另一端相连。

所述可控开关管S_p1和所述可控开关管S_n2构成一个双向开关管，所述可控开关管S_p3和所述可控开关管S_n4构成一个双向开关管，所述可控开关管S_n1和所述可控开关管S_p2，所述可控开关管S_n3和所述可控开关管S_p4构成一个双向开关管。

一种单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑的调制方法，所述调制方法基于变压器前级电路采用电流型整体式单极倍频正弦脉宽调制和后级电路采用电流型分立式混合脉宽调制相结合的解结耦调制策略，前级矩阵变换器采用电流型整体式驱动，即使用同一个驱动信号对双向开关管进行整体驱动；后级矩阵变换器采用电流型分立式驱动，即使用不同的驱动信号对双向开关管分别进行驱动。针对双向开关管，需引入“解结耦”调制思想，“解结耦”分为“解耦”和“结耦”两部分，解耦是将双向可控开关电路分解为单向可控开关电路，结耦即通过逻辑组合和变换生成“解耦”电路中各开关管的驱动信号，通过两种调制策略的结合，能使矩阵变换器双向开关管更加合理的工作，控制整个电路进行同频同压，变频变压的输出。

图1为本发明单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑示意图。如图1所示，电源网络的单相交流电压U_s的正极与输入滤波器的电感L一端相连；输入滤波器的电感L另一端与输入滤波器的电容C的一端、可控开关管S_nal的集电极、可控开关管S_pal的集电极相连；单相交流电压U_s的负极与输入滤波器的电容C的另一端、可控开关管S_nbl的集电极、可控开关管S_pbl的集电极相连；可控开关管S_pah的集电极分别与可控开关管S_pbh的集电极和高频变压器T一次侧的正极相连；可控开关管S_pah的发射极与可控开关管S_nal的发射极相连；可控开关管S_nal的集电极与可控开关管S_pal的集电极相连；可控开关管S_pal的发射极与可控开关管S_nah的发射极相连；可控开关管S_nah的集电极与可控开关管S_nbh的集电极相连且与高频变压器T一次侧的负极相连；可控开关管S_pbh的发射极与可控开关管S_nbl的发射极相连；可控开关管S_nbl的集电极与可控开关管S_pbl的集电极相连；可控开关管S_pbl的发射极与可控开关管S_nbh的发射极相连；可控开关管S_p1的发射极，可控开关管S_p3的发射极均与高频变压器T二次侧的正极相连；可控开关管S_n1的发射极，可控开关管S_n3的发射极均与高频变压器T二次侧的负极相连；可控开关管S_p1的发射极与可控开关管S_n2的发射极相连；可控开关管S_n2的集电极分别与可控开关管S_p2的集电极、输出滤波电容C_f的一端、输出滤波电感L_f的一端相连；可控开关管S_p2的发射极与可控开关管S_n1的发射极相连，可控开关管S_p3的发射极与可控开关管S_n4的发射极相连；可控开关管S_n4的集电极分别与可控开关管S_p4的集电极、输出滤波电容C_f的另一端相连；输出滤波电感L_f的另一端与负载的一端相连；输出滤波电容C_f的另一端与负载的另一端相连。

对于单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑的调制策略，将解结耦思想融入到单极倍频SPWM及HPWM相结合的调制策略中，使得矩阵变换器双向开关管合理的工作。针对双向开关管，需引入“解结耦”调制思想。“解结耦”分为“解耦”和“结耦”两部分，解耦是将双向可控开关电路分解为单向可控开关电路，结耦即通过逻辑组合和变换生成“解耦”电路中各开关管的驱动信号。基于解耦思想，将单相电流型AC-AC高频链矩阵式电力电子变压器拓扑解耦成正、负两组普通单相电流型AC-AC变换器，电流型矩阵式变换器的解耦思想有两个主要的特征：(1)正、负组中任意一组处于高频调制状态，另一组则必须处于全部关闭的状态。(2)正、负组的选择必须与高频变压器的输入电流或者是输出电压极性保持一致。

针对单相AC-AC型高频链矩阵式电力电子变压器的拓扑结构，提出了适用于该拓扑的解结耦单极倍频SPWM调制及HPWM调制相结合的调制策略，即先根据解耦思想将矩阵式变换器解耦为两个普通的单相电流型AC-AC高频链矩阵式电力电子变压器电路，再分别依据单极倍频SPWM调制及HPWM调制相结合的调制策略在正负工频半周期内对可控开关管进行控制，以实现能量的传递。工作过程如下：

单相工频正弦交流电经前级矩阵变换器转化为正负交变的高频交流方波，然后经过高频变压器实现输出与输入之间的电气隔离并且耦合到高频变压器的副边，再经过后级矩阵变换器转化为工频交流电，最后输出交流电经过输出滤波器滤波后，给负载供电。

图2为单相电流型AC-AC高频链矩阵式电力电子变压器解耦示意图。正组单相电流型AC-AC普通电力电子变压器主电路拓扑由电源网络，前级单向可控开关组(S_pah、S_pal、S_pbh、S_pbl)，高频变压器，后级单向可控开关组(S_p1、S_p2、S_p3、S_p4)，输出滤波器及负载构成。负组单相电流型AC-AC普通电力电子变压器主电路拓扑由电源网络，前级单向可控开关组(S_nah、S_nal、S_nbh、S_nbl)，高频变压器，后级单向可控开关组(S_n1、S_n2、S_n3、S_n4)，输出滤波器及负载构成。根据解耦思想，正组单相电流型AC-AC电力电子变压器工作时，负组电力电子变压器可控开关管处于全部关闭的状态，同理，负组单相电流型AC-AC电力电子变压器工作时，正组单相电流型AC-AC电力电子变压器可控开关管处于全部关闭状态。正负两组单相电流型AC-AC电力电子变压器交替进行工作，从而在高频变压器原边形成了正负交替的高频信号再耦合到副边，最后输出交流电经过输出滤波器滤波后，给负载供电。

图3为单相电流型单极倍频SPWM调制原理图。其中U_c为高频锯齿载波，U_s1为正的正弦调制波，U_s2为负的正弦调制波，V_S11、V_S13、V_S21、V_S23、V_S14、V_S12、V_S24、V_S22为八路驱动信号，V_Sah、V_Sal、V_Sbh、V_Sbl为四路整体式驱动信号。其中高频变压器原边电压出现三种状态，分别为正U_AB、负U_AB及零电压状态。

图4为前级单相电流型单极倍频解结耦SPWM驱动逻辑图。从图4可以看出U_s1与U_c的比较得到SPWM1、SPWM2，U_s2与U_c的比较得到SPWM3、SPWM4；然后将这四路SPWM波再与互补的高频方波V_p、V_n(其频率是锯齿载波的一半)先进行“与”逻辑合成，从而获得八路驱动信号V_S11、V_S13、V_S21、V_S23、V_S14、V_S12、V_S24、V_S22，再进行“或”逻辑运算，最终得到四路驱动波V_Sah、V_Sal、V_Sbh、V_Sbl作为开关管整体式驱动的驱动信号，V_Sah为开关管S_pah、S_nal的驱动信号，V_Sal为开关管S_pal、S_nah的驱动信号，V_Sbh为开关管S_pbh、S_nbl的驱动信号，V_Sbl为开关管S_pbl、S_nbh的驱动信号，具体合成过程如图4所示。

图5为双向开关管的控制方式图。变压器前级矩阵变换器双向开关管采用电流型整体式驱动，即使用同一个驱动信号对双向开关管进行整体驱动(如图5(a)所示)，后级矩阵变换器采用电流型分立式驱动，即使用不同的驱动信号对双向开关管分别进行驱动，如图5(b)所示。

图6为变压器后级矩阵变换器驱动信号的逻辑合成图。根据电流型解耦原理，HPWM调制策略是通过“与门”实现的。其中v₁、v₂为互补占空比50％的工频方波，V_p、V_n为占空比50％且频率与变压器前级矩阵变换器同频的互补高频方波，矩阵变换器通过解耦后，在同一桥臂的任意时刻有且仅有一个全控开关开通，整体驱动脉冲高低频相间。

图7为单相电流型AC-AC高频链矩阵变换器在一个高频周期内的工作状态图。为了更加方便对电路工作原理的理解，现选取一个高频周期进行分析。图7所示为单相电流型AC-AC高频链矩阵式电力电子变压器在一个高频周期内的6种工作状态。其中V_Spah、V_Snal、V_Spal、V_Snah、V_Spbh、V_Snbl、V_Spbl、V_Snbh代表矩阵变换器前级开关管的驱动信号，V_Sp1、V_Sp4、V_Sn2、V_Sn3、V_Sp2、V_Sp3、V_Sn1、V_Sn4代表矩阵变换器后级开关管的驱动信号，u_p代表变压器原边电压波形，u_s代表变压器副边电流波形，i_p代表变压器原边电流波形。

图8为工作模态1的等效电路图；图9为工作模态2的等效电路图；图10为工作模态3的等效电路图；图11为工作模态4的等效电路图；图12为工作模态5的等效电路图；图13为工作模态6的等效电路图。

模态1[t₀-t₁]：t₀时刻以前，前级开关管S_pal，S_nah，S_pbh，S_nbl处于导通状态，后级开关管S_n1，S_n4处于导通状态，在t₀时刻，前级开关管S_pal，S_nah关断，开关管S_pbl，S_nbh开通，输入电源给电容充电，由于变压器前级漏感的存在，漏感电流经T→S_pbh→D_nbl→S_pbl→D_nbh→T构成回路进行续流，漏感电流逐渐减小；后级开关管S_n1，S_n4仍然处于导通状态，由于变压器后级也有漏感的存在，漏感电流经T→S_n1→D_p2→S_n4→D_p3→T构成回路进行续流，此阶段，电容C_f由充电转为放电过程，放电电流逐渐增大，并向负载提供能量。

模态2[t₁-t₂]：t₁时刻，输入电源给电容充电，前级开关管S_pbl，S_nbh，S_pbh，S_nbl关断，开关管S_pah，S_nal，S_pal，S_nah开通，变压器原边电压为0，开关管实现零电压开通；后级开关管S_n1，S_n4关闭，开关管S_p1，S_p4开通，电容C_f放电给负载提供能量构成续流通路。

模态3[t₂-t₃]：t₂时刻，前级开关管S_pal，S_nah关断，开关管S_pbl，S_nbh开通，变压器原边电压电流均为0，开关管实现零电压、零电流开通；电源开始向整个变换器提供能量，在此期间，前级电容C由充电状态变为放电状态，变压器原边电流经U_s→S_nal→D_pah→T→S_nbh→D_pbl→U_s所构成的回路中流通，变压器原边电流逐渐增大，能量经高频变压器向后级传递；后级开关管S_p1，S_p4仍然导通，变压器副边电流经T→S_p1→D_n2→S_p4→D_n3→T所构成的回路向负载提供能量，在此期间，后级电容C_f由放电状态变为充电状态。

模态4[t₃-t₄]：t₃时刻，输入电源给电容C充电，前级开关管S_pah，S_nal关断，开关管S_pbh，S_nbl开通，由于变压器前级漏感的存在，漏感电流经T→S_nbh→D_pbl→D_nbl→D_pbh→T构成回路进行续流，漏感电流逐渐减小；后级开关管S_p1，S_p4仍然处于导通状态，由于变压器后级也有漏感的存在，漏感电流经T→S_p1→D_n2→S_p4→D_n3→T构成回路进行续流，漏感电流逐渐减小，在此期间，电容C_f先充电后放电，并提供能量给负载。

模态5[t₄-t₅]：t₄时刻，前级开关管S_pbh，S_nbl，S_pbl，S_nbh全部关断，开关管S_pah，S_nal，S_pal，S_nah开通，变压器原边电压为0，实现了开关管的零电压开通和关断，在此期间，输入电源给电容C充电；后级开关管S_p1，S_p4断开，开关管S_n1，S_n4开通，后级电容C_f平稳放电给负载提供能量构成续流通路。

模态6[t₅-t₆]：t₅时刻，前级开关管S_pah，S_nal断开，开关管S_pbh，S_nbl开通，由于上一阶段变压器原边电压电流均为0，实现了开关管的零电压、零电流的开通和关断，在此期间，输入电源给电容C先充电后放电；电源开始向整个变换器提供能量，变压器原边电流经U_s→S_pal→D_nah→T→S_nbl→D_pbh→U_s所构成的回路中流通，变压器原边电流逐渐增大，能量经高频变压器向后级传递，后级开关管S_n1，S_n4仍然导通，变压器副边电流经T→S_n1→D_p2→S_n4→D_p3→T所构成的回路向负载提供能量，后级电容C_f由放电状态变为充电状态。

由以上工作状态可以看出，针对单相电流型AC-AC高频链矩阵式电力电子变压器拓扑，所提出的变压器前级电路整体式单极倍频SPWM和后级电路分立式HPWM相结合的调制策略，对前后级矩阵变换器双向开关管进行控制，使得工作模态对称分布，同时，所提出的解结耦调制策略既可以实现电力电子变压器同压同频输出，也可以实现变压变频输出。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑，其特征在于，包括依次连接的电源网络、前级矩阵变换器、高频变压器、后级矩阵变换器、输出滤波器和负载，所述前级矩阵变换器采用整体式驱动方式以及单极倍频正弦脉宽调制方式，所述后级矩阵变换器采用分立式驱动方式以及混合脉宽调制方式，所述电源网络的单相工频正弦交流电经所述前级矩阵变换器转化为正负交变的高频交流方波，然后经过所述高频变压器实现输出与输入之间的电气隔离并且耦合到高频变压器的副边，再经过所述后级矩阵变换器转化为工频交流电，最后所述工频交流电经过所述输出滤波器滤波后，给所述负载供电；

所述电源网络包括单相交流电源U_s和输入滤波器，所述输入滤波器包括电感L和电容C，所述单相交流电源Us的正极与所述电感L的第一端相连；所述电感L的第二端与所述电容C的第一端连接，所述单相交流电源Us的负极与所述电容C的第二端连接；

所述单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑采用基于变压器前级电路采用电流型整体式单极倍频正弦脉宽调制和后级电路采用电流型分立式混合脉宽调制相结合的解结耦调制策略，前级矩阵变换器采用电流型整体式驱动，即使用同一个驱动信号对双向开关管进行整体驱动；后级矩阵变换器采用电流型分立式驱动，即使用不同的驱动信号对双向开关管分别进行驱动，通过两种调制策略的结合，并且针对双向开关管引入“解结耦”调制思想，能够使矩阵变换器双向开关管更加合理的工作，控制整个电路进行同频同压，变频变压的输出；“解结耦”分为“解耦”和“结耦”两部分，解耦是将双向可控开关电路分解为单向可控开关电路，结耦是通过逻辑组合和变换生成“解耦”电路中各开关管的驱动信号，通过两种调制策略的结合，能使矩阵变换器双向开关管合理的工作，控制整个电路进行同频同压、变频变压的输出；

针对单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器的拓扑结构，提出了适用于该拓扑的解结耦单极倍频电流型整体式单极倍频正弦脉宽调制及电流型分立式混合脉宽调制相结合的调制策略，即先根据解耦思想将矩阵式变换器解耦为两个普通的单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器电路，再分别依据单极倍频电流型整体式单极倍频正弦脉宽调制及电流型分立式混合脉宽调制相结合的调制策略在正负工频半周期内对可控开关管进行控制，以实现能量的传递，工作过程如下：

单相工频正弦交流电经前级矩阵变换器转化为正负交变的高频交流方波，然后经过高频变压器实现输出与输入之间的电气隔离并且耦合到高频变压器的副边，再经过后级矩阵变换器转化为工频交流电，最后输出交流电经过输出滤波器滤波后，给负载供电。

2.根据权利要求1所述的单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑，其特征在于，所述前级矩阵变换器包括可控开关管S_pah、可控开关管S_nah、可控开关管S_pal、可控开关管S_nal、可控开关管S_pbh、可控开关管S_nbh、可控开关管S_pbl和可控开关管S_nbl，所述电感L的第二端与所述可控开关管S_nal的集电极、所述可控开关管S_pal的集电极相连；所述单相交流电源Us的负极与所述可控开关管S_nbl的集电极、所述可控开关管S_pbl的集电极相连；所述可控开关管S_pah的集电极分别与所述可控开关管S_pbh的集电极和所述高频变压器一次侧的正极相连；所述可控开关管S_pah的发射极与所述可控开关管S_nal的发射极相连；所述可控开关管S_nal的集电极与所述可控开关管S_pal的集电极相连；所述可控开关管S_pal的发射极与所述可控开关管S_nah的发射极相连；所述可控开关管S_nah的集电极与所述可控开关管S_nbh的集电极相连且与所述高频变压器一次侧的负极相连；所述可控开关管S_pbh的发射极与所述可控开关管S_nbl的发射极相连；所述可控开关管S_nbl的集电极与所述可控开关管S_pbl的集电极相连；所述可控开关管S_pbl的发射极与所述可控开关管S_nbh的发射极相连。

3.根据权利要求2所述的单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑，其特征在于，所述可控开关管S_pah和所述可控开关管S_nal构成一个双向开关管，所述可控开关管S_pbh和所述可控开关管S_nbl构成一个双向开关管，所述可控开关管S_nah和所述可控开关管S_pal构成一个双向开关管，所述可控开关管S_nbh和所述可控开关管S_pbl构成一个双向开关管。

4.根据权利要求1所述的单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑，其特征在于，所述后级矩阵变换器包括可控开关管S_p1、可控开关管S_p2、可控开关管S_p3、可控开关管S_p4、可控开关管S_n1、可控开关管S_n2、可控开关管S_n3和可控开关管S_n4；所述输出滤波器包括输出滤波电容C_f和输出滤波电感L_f；

所述可控开关管S_p1的集电极、所述可控开关管S_p3的集电极均与所述高频变压器二次侧的正极相连；所述可控开关管S_n1的集电极、所述可控开关管S_n3的集电极均与所述高频变压器二次侧的负极相连；所述可控开关管S_p1的发射极与所述可控开关管S_n2的发射极相连；所述可控开关管S_n2的集电极分别与所述可控开关管S_p2的集电极、所述输出滤波电容C_f的第一端、所述输出滤波电感L_f的第一端相连；所述可控开关管S_p2的发射极与所述可控开关管S_n1的发射极相连，所述可控开关管S_p3的发射极与所述可控开关管S_n4的发射极相连；所述可控开关管S_n4的集电极分别与所述可控开关管S_p4的集电极、所述输出滤波电容C_f的第二端相连，所述输出滤波电感L_f的第二端与所述负载的一端相连；所述输出滤波电容C_f的第二端与所述负载的另一端相连。

5.根据权利要求4所述的单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑，其特征在于，所述可控开关管S_p1和所述可控开关管S_n2构成一个双向开关管，所述可控开关管S_p3和所述可控开关管S_n4构成一个双向开关管，所述可控开关管S_n1和所述可控开关管S_p2，所述可控开关管S_n3和所述可控开关管S_p4构成一个双向开关管。

6.一种基于权利要求1-5任意一项所述的单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑的调制方法，其特征在于，所述调制方法基于变压器前级电路采用电流型整体式单极倍频正弦脉宽调制和后级电路采用电流型分立式混合脉宽调制相结合的解结耦调制策略，前级矩阵变换器采用电流型整体式驱动，即使用同一个驱动信号对双向开关管进行整体驱动；后级矩阵变换器采用电流型分立式驱动，即使用不同的驱动信号对双向开关管分别进行驱动，通过两种调制策略的结合，并且针对双向开关管引入“解结耦”调制思想，能够使矩阵变换器双向开关管更加合理的工作，控制整个电路进行同频同压，变频变压的输出；

针对单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器的拓扑结构，提出了适用于该拓扑的解结耦单极倍频电流型整体式单极倍频正弦脉宽调制及电流型分立式混合脉宽调制相结合的调制策略，即先根据解耦思想将矩阵式变换器解耦为两个普通的单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器电路，再分别依据单极倍频电流型整体式单极倍频正弦脉宽调制及电流型分立式混合脉宽调制相结合的调制策略在正负工频半周期内对可控开关管进行控制，以实现能量的传递，工作过程如下：

单相工频正弦交流电经前级矩阵变换器转化为正负交变的高频交流方波，然后经过高频变压器实现输出与输入之间的电气隔离并且耦合到高频变压器的副边，再经过后级矩阵变换器转化为工频交流电，最后输出交流电经过输出滤波器滤波后，给负载供电。

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