CN114826013A - 一种隔离矩阵变换器及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种隔离矩阵变换器及控制方法，变换器包括：双向开关模组、变压器、谐振电感、谐振电容和桥臂电容；双向开关模组与桥臂电容串联形成变换器的桥臂，变换器的每个桥臂包括至少一个双向开关模组；变压器的初级绕组与谐振电感和谐振电容串联后连接变换器的桥臂的两端；双向开关模组包括：钳位电容和双向开关单元；双向开关单元形成模组的两个桥臂，钳位电容的两端连接模组的两个桥臂的两端；钳位电容与两个桥臂的两个上桥臂或者与两个下桥臂形成钳位吸收电路；双向开关单元包括至少两个可控开关管；钳位电容抑制双向开关模组中的开关管动作时产生的电压尖峰。从而保护开关管，进而保护整个变换器的安全，提高整个变换器的可靠性。

Description

一种隔离矩阵变换器及控制方法
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，具体涉及一种隔离矩阵变换器及控制方法。
背景技术
隔离矩阵变换器一般包括双向开关和变压器，变压器的输入端还包括谐振电路，一般可以实现交流到交流的转换，也可以实现交流到直流的转换。例如，输入为交流，输出为直流。
参见图1，该图为现有技术提供的一种隔离矩阵变换器的示意图。
如图1所示，该隔离矩阵变换器的输入端连接三相交流电，隔离矩阵变换器的每相包括双向开关，即串联的两个开关管的反并联二极管方向相反，允许电流上下两个方向均可以流过。变压器的初级绕组串联电感和电容，形成LLC谐振。但是，图1所示的隔离矩阵变换器中双向开关的电压钳位为交流电的线电压，在过谐振区时开关管会出现较大的电流切换，因而可能出现电压尖峰过高引起开关管过压失效。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供一种隔离矩阵变换器及控制方法，能够抑制开关管动作时引起的电压尖峰，保护开关管。
本申请提供一种矩阵隔离变换器，包括：双向开关模组、变压器、谐振电感、谐振电容和桥臂电容；
所述双向开关模组与所述桥臂电容串联形成变换器的桥臂，所述变换器的每个桥臂包括至少一个双向开关模组；
所述变压器的初级绕组与所述谐振电感和所述谐振电容串联后连接所述变换器的桥臂的两端；
所述双向开关模组包括：钳位电容和双向开关单元；所述双向开关单元形成模组的两个桥臂，所述钳位电容的两端连接所述模组的两个桥臂的两端；所述钳位电容与所述两个桥臂的两个上桥臂或者与两个下桥臂形成钳位吸收电路；所述双向开关单元包括至少两个可控开关管；
所述钳位电容，用于抑制所述双向开关模组中的开关管动作时产生的电压尖峰。
优选地，所述双向开关模组包括两个可控开关管时，两个可控开关管同位于两个上桥臂或同位于两个下桥臂。
优选地，所述双向开关模组包括以下四个可控开关管：第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；
所述第一开关管的第一端和所述第三开关管的第一端均连接所述钳位电容的第一端，所述第二开关管的第二端和所述第四开关管的第二端均连接所述钳位电容的第二端，所述第一开关管的第二端连接所述第二开关管的第一端，所述第三开关管的第二端连接所述第四开关管的第一端；
所述第一开关管和所述第二开关管的公共端为所述双向开关模组的第一端，所述第三开关管和所述第四开关管的公共端为所述双向开关模组的第二端。
优选地，所述双向开关模组包括以下三个可控开关管和一个二极管：第一开关管、第二开关管、第三开关管和第一二极管；
所述第一开关管和所述第二开关管串联形成所述模组的第一桥臂，所述第三开关管和所述第一二极管串联形成所述模组的第二桥臂。
优选地，所述双向开关模组包括以下两个可控开关管和两个二极管：第一开关管和第二开关管、第一二极管和第二二极管；
所述第一开关管和所述第一二极管串联形成所述模组的第一桥臂，所述第二开关管和所述第二二极管串联形成所述模组的第二桥臂。
优选地，所述变换器包括串联的至少两个双向开关模组；
所述变换器还包括控制器；所述控制器，具体用于在所述钳位电容的电压大于第一预设电压时，控制所述双向开关单元中的可控开关管动作为所述钳位电容放电直至所述钳位电容的电压小于第二预设电压，以平衡所述至少两个双向开关模组之间的电压；所述第一预设电压大于所述第二预设电压。
优选地，所述变换器包括串联的至少两个双向开关模组；
所述变换器还包括控制器；所述控制器，具体用于在所述钳位电容的电压小于第三预设电压时，控制所述双向开关单元中的可控开关管动作为所述钳位电容充电直至所述钳位电容的电压大于第四预设电压，以平衡所述至少两个双向开关模组之间的电压；
所述第三预设电压小于所述第四预设电压。
优选地，当所述矩阵隔离变换器为三相矩阵隔离变换器，所述三相矩阵隔离变换器的每相包括至少一个所述双向开关模组；
所述变换器还包括：控制器；所述控制器，还用于控制相电压绝对值最高相中不承受电压应力的开关管一直导通，所述最高相中承受电压应力的开关管以预设占空比开关动作；
所述控制器，还用于控制相电压绝对值次高相中的在最高相开关管导通时不承受电压应力的开关管在最高相的双向开关模组关断前导通，次高相中的承受电压应力的开关管在最高相的双向开关模组关断后导通；
所述控制器，还用于控制相电压绝对值最小相中在次高相的双向开关模组导通时不承受电压应力的开关管在次高相双向开关模组关断前导通，承受电压应力的开关管在次高相的双向开关模组关断后导通。
优选地，每个所述变换器的桥臂包括多个所述双向开关单元时，多个所述双向开关单元串联在一起。
优选地，所述变压器的次级绕组连接整流桥，所述整流桥包括二极管或可控开关管中的至少一项。
优选地，所述变压器包括多个次级绕组，每个次级绕组连接对应的整流桥。
本申请还提供一种矩阵隔离变换器的控制方法，矩阵隔离变换器包括：双向开关模组、变压器、谐振电感、谐振电容和桥臂电容；所述双向开关模组与所述桥臂电容串联形成变换器的桥臂，所述变换器的每个桥臂包括至少一个双向开关模组；所述变压器的初级绕组与所述谐振电感和所述谐振电容串联后连接所述变换器的桥臂的两端；所述双向开关模组包括：钳位电容和双向开关单元；所述双向开关单元形成模组的两个桥臂，所述钳位电容的两端连接所述模组的两个桥臂的两端；所述钳位电容与所述两个桥臂的两个上桥臂或者与两个下桥臂形成钳位吸收电路；所述双向开关单元包括至少两个可控开关管；
该方法包括：
控制所述双向开关模组中的开关管动作；
控制所述钳位电容用于抑制所述双向开关模组中的开关管动作时的电压尖峰。
优选地，所述双向开关模组包括两个可控开关管时，两个可控开关管同位于两个上桥臂或同位于两个下桥臂。
优选地，所述双向开关模组包括以下四个可控开关管：第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；
所述第一开关管的第一端和所述第三开关管的第一端均连接所述钳位电容的第一端，所述第二开关管的第二端和所述第四开关管的第二端均连接所述钳位电容的第二端，所述第一开关管的第二端连接所述第二开关管的第一端，所述第三开关管的第二端连接所述第四开关管的第一端；
所述第一开关管和所述第二开关管的公共端为所述双向开关模组的第一端，所述第三开关管和所述第四开关管的公共端为所述双向开关模组的第二端。
优选地，所述变换器包括串联的至少两个双向开关模组；
还包括：
在所述钳位电容的电压大于第一预设电压时，控制所述双向开关单元中的可控开关管动作为所述钳位电容放电直至所述钳位电容的电压小于第二预设电压，以平衡所述至少两个双向开关模组之间的电压；所述第一预设电压大于所述第二预设电压。
优选地，所述变换器包括串联的至少两个双向开关模组；
还包括：
在所述钳位电容的电压小于第三预设电压时，控制所述双向开关单元中的可控开关管动作为所述钳位电容充电直至所述钳位电容的电压大于第四预设电压，以平衡所述至少两个双向开关模组之间的电压；
所述第三预设电压小于所述第四预设电压。
优选地，当所述矩阵隔离变换器为三相矩阵隔离变换器，所述三相矩阵隔离变换器的每相包括至少一个所述双向开关模组；
该方法还包括：
控制相电压绝对值最高相中不承受电压应力的开关管一直导通，所述最高相中承受电压应力的开关管以预设占空比开关动作；
控制相电压绝对值次高相中的在最高相开关管导通时不承受电压应力的开关管在最高相的双向开关模组关断前导通，次高相中的承受电压应力的开关管在最高相的双向开关模组关断后导通；
控制相电压绝对值最小相中在次高相的双向开关模组导通时不承受电压应力的开关管在次高相双向开关模组关断前导通，承受电压应力的开关管在次高相的双向开关模组关断后导通。
由此可见，本申请实施例具有如下有益效果：
该矩阵隔离变换器包括：双向开关模组，双向开关模组包括：钳位电容和双向开关单元；双向开关单元形成模组的两个桥臂，钳位电容的两端连接模组的两个桥臂的两端；钳位电容与两个桥臂的两个上桥臂或者与两个下桥臂形成钳位吸收电路；双向开关单元包括至少两个可控开关管；钳位电容可以抑制开关管在动作过程中产生的电压尖峰，从而保护开关管，进而保护整个变换器的安全，提高整个变换器的可靠性。
附图说明
图1为现有技术提供的一种隔离矩阵变换器的示意图；
图2为本申请实施例提供的一种矩阵隔离变换器的示意图；
图3为本申请实施例提供的又一种矩阵隔离变换器的示意图；
图4为本申请实施例提供的一种双向开关模组的示意图；
图5为本申请实施例提供的又一种双向开关模组的示意图；
图6为本申请实施例提供的另一种双向开关模组的示意图；
图7为本申请实施例提供的再一种双向开关模组的示意图；
图8为本申请实施例提供的又一种矩阵隔离变换器的示意图；
图9为本申请实施例提供的再一种矩阵隔离变换器的示意图；
图10为本申请实施例提供的三相交流电压的波形图；
图11为本申请实施例提供的矩阵隔离变换器的双向开关模组的驱动时序图；
图12A-图12D为本申请实施例提供的双向开关模组中开关动作的工作原理图；
图13为本申请实施例提供的Q4关断过程中的电压应力示意图；
图14为本申请实施例提供的一种矩阵隔离变换器的控制方法的流程图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本申请提供的技术方案，下面先介绍具体的应用场景。
本申请实施例提供的矩阵隔离变换器，可以作为直-交-直变换器，也可以作为交-交-直变换器，即输入可以为直流，也可以为交流，但一般输出为直流。另外，输入可以为三相，也可以为一相；输出可以为一相，即直流输出给负载。
本申请实施例提供的矩阵隔离变换器不限定具体的应用场景，例如当矩阵隔离变换器的变压器的次级绕组包括多个时，每个次级绕组连接一个整流桥，每个整流桥的输出可以连接一个负载，例如为新能源汽车充电，即应用于充电桩场景，每个输出可以连接一个充电枪给新能源汽车进行直流充电。
另外，该矩阵隔离变换器也可以为其他用电设备供电，例如服务器等机房的用电。
另外，该矩阵隔离变换器的变压器的次级绕组连接的整流桥中包括可控开关管时，该矩阵隔离变换器可以作为双向变换器，即能量可以双向流动，例如从直流变换为交流，或从交流变换为直流。
变换器实施例
下面结合附图详细介绍本申请实施例提供的矩阵隔离变换器，以三相交流输入为例进行介绍。
参见图2，该图为本申请实施例提供的一种矩阵隔离变换器的示意图。
本实施例提供的矩阵隔离变换器，包括：双向开关模组100、变压器Tx、谐振电感Lr、谐振电容Cr和桥臂电容；如图2所示，以三相交流输入为例，则对应三相桥臂，A相的桥臂电容为CA，B相的桥臂电容为CB，C相的桥臂电容为CC。
双向开关模组100与桥臂电容串联形成变换器的桥臂，矩阵隔离变换器的每个桥臂包括至少一个双向开关模组；本申请实施例不具体限定每相桥臂包括的双向开关模组100的数量，图2中每相桥臂包括多个双向开关模组100串联在一起，例如A相桥臂的n个双向开关模组分别为MA1-MAn，同理，B相桥臂的n个双向开关模组分别为MB1-MBn，C相桥臂的n个双向开关模组分别为MC1-MCn。其中，n为大于等于1的整数。
矩阵隔离变换器中每相桥臂的上半桥臂为双向开关模组，下半桥臂为桥臂电容，双向开关模组与桥臂电容串联在一起形成每相的整个桥臂。
变压器的初级绕组与谐振电感Lr、谐振电容Cr串联后连接矩阵隔离变换器的桥臂的两端；其中，变压器的初级绕组和谐振电感Lr、谐振电容Cr串联形成LLC串联谐振。
双向开关模组包括：钳位电容和双向开关单元；双向开关单元形成模组的两个桥臂，钳位电容的两端连接模组的两个桥臂的两端；钳位电容与两个桥臂的两个上桥臂或者与两个下桥臂形成钳位吸收电路；双向开关单元包括至少两个可控开关管；
钳位电容用于抑制双向开关单元中的开关管在动作过程中产生的电压尖峰。
本申请实施例提供的矩阵隔离变换器中的双向开关模组至少需要包括两个可控开关管，即可以包括四个，也可以包括三个，也可以包括两个，但是仅包括一个可控开关管无法实现钳位电容的充电和放电。当双向开关模组包括两个可控开关管时，两个可控开关管需要同位于两个上桥臂或同位于两个下桥臂。
图2中以双向开关模组包括以下四个可控开关管为例进行介绍：第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4；为了形成续流回路，每个开关管包括反并联二极管，即第一开关管Q1的反并联二极管为D1，第二开关管Q2的反并联二极管为D2，第三开关管Q3的反并联二极管为D3，第四开关管Q4的反并联二极管为D4。
第一开关管Q1的第一端和第三开关管Q3的第一端均连接钳位电容C1的第一端，第二开关管Q2的第二端和第四开关管Q4的第二端均连接钳位电容C1的第二端，第一开关管Q1的第二端连接第二开关管Q2的第一端，第三开关管Q3的第二端连接第四开关管Q4的第一端；
第一开关管Q1和第二开关管Q2的公共端为双向开关模组的第一端，第三开关管Q3和第四开关管Q4的公共端为双向开关模组的第二端。
图2中以矩阵隔离变换器的输出端连接全桥整流桥为例，并且整流桥包括四个二极管为例，即第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7；其中第四二极管D4和第五二极管D5串联形成整流桥的一个桥臂，第六二极管D6和第七二极管D7串联形成整流桥的另一个桥臂。其中整流桥的输出端连接输出电容Cbus。
图2中仅是示意整流桥包括二极管，另外整流桥也可以包括可控开关管，或者可控开关管与二极管的混合；当整流桥的桥臂包括可控开关管时，该矩阵隔离变换器可以实现功率的双向变换，即可以实现直流到交流的转换。整流桥的一侧为输入端。
当图2中每相桥臂仅包括一个双向开关模组时，则如图3所示，该图为本申请实施例提供的又一种矩阵隔离变换器的示意图。
图3中每相桥臂仅包括一个双向开关模组，其余与图2相同，在此不再赘述。
图2和图3中的双向开关模组均是全部为可控开关管的情况，下面介绍包括可控开关管和二极管混合的情况。
本申请实施例提供的矩阵隔离变换器，其中，双向开关模组包括以下两个可控开关管和两个二极管：第一开关管和第二开关管、第一二极管和第二二极管；第一开关管和第一二极管串联形成模组的第一桥臂，第二开关管和所述第二二极管串联形成模组的第二桥臂。以上的第一开关管和第二开关管仅为开关管的名称，不具体指代位置。
本申请实施例不具体限定两个二极管的位置，例如可以同时位于两个上半桥臂，也可以位于两个下半桥臂。
参见图4，该图为本申请实施例提供的一种双向开关模组的示意图。
图4中以两个上半桥臂为可控开关管，两个下半桥臂为二极管为例进行介绍。即Q1和Q3均为可控开关管，D2和D4均为二极管，且Q1包括反并联二极管D1，Q3包括反并联二极管D3。钳位电容C1连接在模组的桥臂的两端。
参见图5，该图为本申请实施例提供的又一种双向开关模组的示意图。
图5中以两个上半桥臂为二极管，两个下半桥臂为可控开关管为例进行介绍。即Q12和Q14均为可控开关管，D11和D13均为二极管，且Q12包括反并联二极管D12，Q14包括反并联二极管D14。钳位电容C1连接在模组的桥臂的两端。
图4和图5介绍的均是包括两个可控开关管和两个二极管的情况，下面结合附图介绍双向开关模组包括三个可控开关管和一个二极管的情况。即双向开关模组包括以下三个可控开关管和一个二极管：第一开关管、第二开关管、第三开关管和第一二极管；第一开关管和第二开关管串联形成模组的第一桥臂，第三开关管和第一二极管串联形成模组的第二桥臂。
参见图6，该图为本申请实施例提供的另一种双向开关模组的示意图。
图6中以左侧桥臂包括两个可控开关管Q1和Q2，右侧上半桥臂包括可控开关管Q3，右侧下半桥臂包括二极管D4。Q1的反并联二极管为D1，Q2的反并联二极管为D2，Q3的反并联二极管为D3。钳位电容C1连接在模组的桥臂的两端。
参见图7，该图为本申请实施例提供的再一种双向开关模组的示意图。
图6中以左侧桥臂包括两个可控开关管Q1和Q2，右侧上半桥臂包括二极管D3，右侧下半桥臂包括可控开关管Q4。Q1的反并联二极管为D1，Q2的反并联二极管为D2，Q4的反并联二极管为D4。钳位电容C1连接在模组的桥臂的两端。
应该理解，图6和图7中仅是示例一个二极管的位置，该二极管可以位于四个半桥臂中的任一个。图6和图7包括三个可控开关管，可以保证每个双向开关模组的电压均可以控制，具体可以通过调整可控开关管的占空比来调节模组的电压。
变压器的次级绕组连接整流桥，整流桥包括二极管或可控开关管中的至少一项。
当整理桥包括二极管时，参见图3，且图3中的变压器的次级绕组仅为一个，下面介绍变压器包括多个次级绕组的情况。
变压器包括多个次级绕组，每个次级绕组连接对应的整流桥。由于变压器的次级绕组包括多个，因此，对应多个输出端口，可以增加后级变换器实现各个输出端口的电压和功率的灵活调节。
参见图8，该图为本申请实施例提供的又一种矩阵隔离变换器的示意图。
图8中变压器包括n个次级绕组，n为大于1的整数，每个绕组连接对应的整流桥。例如，第一整流桥包括四个二极管D5-D8，第一整流桥的输出电容为Cbus1。第n整流桥包括四个二极管Dn5-Dn8，第n整流桥的输出电容为Cbusn。
图8所示的矩阵隔离变换器可以应用于电动汽车充电场景，每个整流桥对应一个充电枪，为电动汽车充电。例如，矩阵隔离变换器的输入电压可以为交流10kV或交流35kV。
以上介绍的矩阵隔离变换器均是以整流桥包括二极管为例进行介绍，下面介绍整流桥包括可控开关管的情景。
参见图9，该图为本申请实施例提供的再一种矩阵隔离变换器的示意图。
图9中的整流桥包括四个可控开关管，即Q5-Q8，每个可控开关管包括对应的反并联二极管，即Q5-Q8的反并联二极管分别为D5-D8。整流桥的输出电容为C1。
图9所示的矩阵隔离变换器，可以右侧连接光伏阵列，即右侧作为输入端，左侧作为交流输出端，实现光伏发电的交流并网。
本申请实施例不具体限定矩阵隔离变换器的应用场景，也不限定双向开关模组的数量，也不限定整流桥的数量，以及整流桥中开关管的类型，也不限定每个双向开关模组中开关管的类型，以上介绍的各种实现方式之间可以自由结合。
下面结合附图详细介绍本申请实施例提供的矩阵隔离变换器的工作原理。其中，矩阵隔离变换器的电路参见图3，以双向开关模组中均为可控开关管为例。
参见图10，该图为本申请实施例提供的三相交流电压的波形图。
假设三相电网电压波形如图10所示，A相、B相和C相之间依次相差120度，0-30度时A相电压绝对值最大，B相绝对值最小，C相绝对值次之，且A相电压与B相电压、C相电压相反。则如图3所示的电路，双向开关模组中的Q2，Q4为主开关管，Q1和Q3关断；则Q2，Q4管在正常工作时开关时序如图11所示。
参见图11，该图为本申请实施例提供的矩阵隔离变换器的双向开关模组的驱动时序图。
当矩阵隔离变换器为三相矩阵隔离变换器，三相矩阵隔离变换器的每相包括至少一个双向开关模组；
变换器还包括：控制器；
结合图10所示的三相电压，其中A相电压绝对值最高，C相电压绝对值次之，B相电压绝对值最小。图11中，Qa2表示A相的Q2的驱动时序，Qa4表示A相的Q4的驱动时序，Qc2表示C相的Q2的驱动时序，Qc4表示C相的Q4的驱动时序，Qb2表示B相的Q2的驱动时序，Qb4表示B相的Q4的驱动时序。
所述控制器，还用于控制相电压绝对值最高相中不承受电压应力的开关管一直导通，所述最高相中承受电压应力的开关管以预设占空比或预设开关频率动作；例如占空比为50％。
所述控制器，还用于控制相电压绝对值次高相中在最高相开关管导通时不承受电压应力的开关管在最高相的双向开关模组关断前导通，次高相中承受电压应力的开关管在最高相的双向开关模组关断后导通；且两开关同时关断，Q4占空比为该单元实际占空比，该占空比依照该相电压值与最高相电压关系确定。
所述控制器，还用于控制相电压绝对值最小相中在次高相的双向开关模组导通时不承受电压应力的开关管在次高相双向开关模组关断前导通，承受电压应力的开关管在次高相的双向开关模组关断后导通。且两开关同时关断，Q2占空比为该单元实际占空比，该占空比依照该相电压值与最高相电压值关系确定。
以上的开关管具体在双向开关模组中的具体位置可以根据实际的拓扑结构来确定，不同的双向开关模组，指代的开关管可能有所不同，例如上两个半桥臂包括可控开关管，与，下两个半桥臂包括可控开关管时有所区别。但是无论双向开关模组的结构如何，以上以承受电压应力的开关管和不承受电压应力的开关管来区分。
为了便于理解，下面结合图10所示的0-30度，A相的相电压绝对值最高为例进行介绍。
控制器，还用于控制相电压绝对值最高相的第二开关管Q2导通，最高相的第四开关管Q4以预设占空比或预设开关频率进行开关动作；例如预设占空比为50％；
控制相电压绝对值次高相的第四开关管Q4在最高相的第四开关管Q4关断前导通，相电压绝对值次高相的第二开关管Q2在次高相的第四开关管Q4关断后导通；
控制相电压绝对值最小相的第二开关管Q2在次高相的第二开关管Q2和第四开关管Q4关断前导通，相电压绝对值最小相的第四开关管Q4在次高相的第二开关管Q2和第四开关管Q4关断后导通。
以上的Q2和Q4表示每相中的第二开关管和第四开关管，每相中的四个开关管的标号相同，仅以不同相作为区分。
当变换器包括串联的至少两个双向开关模组时，控制器，具体用于在钳位电容的电压大于第一预设电压时，控制双向开关单元中的可控开关管动作为钳位电容放电直至钳位电容的电压小于第二预设电压；第一预设电压大于第二预设电压，以平衡所述至少两个双向开关模组之间的电压；
当变换器包括串联的至少两个双向开关模组时，控制器，具体用于在钳位电容的电压小于第三预设电压时，控制双向开关单元中的可控开关管动作为钳位电容充电直至钳位电容的电压大于第四预设电压，以平衡所述至少两个双向开关模组之间的电压；第三预设电压小于第四预设电压，
其中，第二预设电压大于第三预设电压。
本实施例提供的变换器，当变换器包括串联的至少两个双向开关模组时，可以通过控制双向开关模组中的可控开关管的动作，对钳位电容进行充电或放电，进而改变钳位电容上的电压，来实现多个串联的双向开关模组之间的电压平衡，当电压平衡时，可以包括多个双向开关模组中的开关管的电压应力均衡，不会出现有的双向开关模组中的开关管承受的电压应力较大，有的双向开关模组中的开关管承受的电压应力较小，从而可以更好地对开关管进行保护。
参见图12A-图12D，该图为本申请实施例提供的双向开关模组中开关动作的工作原理图。
图12A-图12D所示为0-30度时A相开关管Q4关断过程，钳位电容C1的工作原理，在Q4关断过程中回路寄生电感可能在Q4上振荡出较高的电压尖峰，由于C1的存在使得电压尖峰被限制在C1的电压，即C1对尖峰电压进行钳位，有效抑制了电压尖峰。
为了保证C1有效保护可控开关管，要求C1两端的电压控制在合理范围内。例如正常电压设置为V0，在电压高于第一预设电压V1时模组进入过压放电工作模式直到电压低于第二预设电压V2退出过压放电模式；当电压低于第三预设电压V3时模组进入欠压充电模式，直到电压高于第四预设电压V4则退出欠压充电模式。以下以A相分别处于最大值(0-30度)，中间值(30-60度)，最小值(60-90度)时介绍钳位电容C1的充放电模式的工作过程。
0-30度，A相双向开关模组的钳位电容C1的电压低于V2时，则该模组进入母线欠压充电模式，该模式下关闭该模组的长通管Q2，且在该模组需开通Q4的时刻不再开启Q4。则主功率回路电流将对C1进行充电。当该模组C1两端电压高于V4时，下一开关周期Q2继续进入长通状态，Q4依照设定逻辑进行开关切换。当该模组吸收钳位电容C1电压高于V1时，该模组进入母线过压放电模式，该模式下Q4导通时刻关闭该模组的长通管Q2并闭合Q1，回路电流将对C1进行充电，当每相桥臂包括多个双向开关模组串联时，为了降低A相其他模组的电压应力，在Q4关断时，同时关断Q1并开通Q2。下一开关周期继续放电，直到C1电压低于V2，退出放电模式。
30-60度，A相双向开关模组的钳位电容C1的电压低于V3时，则该模组进入母线欠压充电模式，正常工作时，该模组Q2会在最大值相Q4关闭前一段时间开通为Q4零电压开通做准备，但在充电模式下，Q2不再开通，Q4在本周期内亦不开通进而通过回路电流实现C1充电，如果本周期未完成充电则下一开关周期继续充电，直到完成充电。当该模组吸收钳位电容C1的电压高于V1时，该模组进入母线过压放电模式，Q2不再开启，而是在正常需要开启Q4时，开启Q4时再开启Q1，则通过主回路电流实现C1的放电，但在电流反向前电容Cx需进行放电。
60-90度，A相双向开关模组的钳位电容C1的电压低于V3时，则该模组进入母线欠压充电模式，正常Q4会在中间相C相Q2，Q4导通时提前开通为Q2创造零电压开通条件，充电模式下Q4，Q2在周期内均不开启。当该模组吸收钳位电容C1电压高于V1时，该模组进入母线过压放电模式，Q4正常开通，但正常Q2导通时开通Q1而非开通Q2，正常关闭Q2，Q4的时刻，关闭Q1，Q4；以实现对C1的放电。
下面具体介绍Q4关断过程中，C1对于电压尖峰的抑制过程。
图12A中，A相电流从Q4进入，流经Q2和D2，从Q2的上端流出，此时Q1和Q3均关断。
图12B中，Q4关断，Q1和Q3继续保持关断。电流对Q4的结电容Co4充电，Q3的结电容Co3放电。
图12C中，Q4关断，Q1和Q3继续保持关断，电流在Q4的结电容Co4上形成的电压达到钳位电容C1两端电压，此时Co3放电至0后，D3导通实现对Q4的电压的尖峰抑制，保护Q4的安全。
图12D中，电流经回路(是指整个矩阵隔离变换器的大回路)寄生电感，D3、C1、D2谐振到0后，反向对Q3，Q4的结电容(Co3和Co4)进行充放电，Q4两端的电压下降，Q3两端的电压上升，直到串联的所有双向开关模组中Q4的总电压达到交流输入的线电压为止。
如果没有C1，则会导致Co3和Co4的电压较大，从而Q3和Q4需要承受较高的电压应力，超过耐压将会损坏。
为了更清楚地了解本申请提供的矩阵隔离变换器中双向开关模组中的钳位电容对于开关管动作时的尖峰电压的抑制作用，下面结合波形图进行详细介绍。
参见图13，该图为本申请实施例提供的Q4关断过程中的电压应力示意图。
从图13可以看出，由于钳位电容C1的存在，Q4在关断过程中，电压应力存在平台H，即电压被钳位，如果没有钳位电容C1，则Q4在关断过程中，会出现较高的尖峰电压，对Q4造成影响，例如可能超过Q4的耐压，损坏Q4。同理其他开关管在开关过程中，也可以受到C1的保护，避免受到尖峰电压的冲击。
以上实施例是以A相为例进行的介绍，其他相及不同相位区间各开关管工作过程类似，在此不再赘述。
当双向开关模组中的开关管为非全控型(即包括可控开关管和二极管的组合)时，各双向开关模组充放电模式仅在特定相位区间进行控制。
以上所述方案均以双向开关模组中的Q2和Q4为主开关进行描述，实际使用中也可以将Q1和Q3作为主开关，Q2和Q4作为钳位电容C1的电压调节开关管使用，相关时序需进行相应调整，在此不再赘述。
本申请实施例提供的矩阵隔离变换器，由于双向开关模组中包括钳位电容，利用钳位电容可以抑制开关管在开关过程中的尖峰电压，从而保护开关管，进而保护整个变换器的安全，提高整个变换器的可靠性。另外，利用对钳位电容的充电模式和放电模式的控制，可以更好地控制变换器的电压应力。
另外，本申请实施例提供的矩阵隔离变换器，每相可以包括多个双向开关模组串联，这样在桥臂电压较高时，可以减少每个双向开关模组承受的电压，进而有利于双向开关模组中可控开关管的选型，降低变换器的成本。
以上实施例中的双向开关模组是以桥臂形式来介绍，即两电平拓扑为例介绍。另外，也可以设计为I-NPC、A-NPC等三电平全桥或者多电平拓扑。
方法实施例
基于以上实施例提供的一种矩阵隔离变换器，本申请实施例还提供一种矩阵隔离变换器的控制方法，下面结合附图进行详细介绍。
参见图14，该图为本申请实施例提供的一种矩阵隔离变换器的控制方法的流程图。
本实施例提供的矩阵隔离变换器的控制方法，矩阵隔离变换器包括：双向开关模组、变压器、谐振电感、谐振电容和桥臂电容；双向开关模组与桥臂电容串联形成变换器的桥臂，每个变换器的桥臂包括至少一个双向开关模组；变压器的初级绕组与谐振电感和谐振电容串联后连接变换器的桥臂的两端；双向开关模组包括：钳位电容和双向开关单元；双向开关单元形成模组的两个桥臂，钳位电容的两端连接模组的两个桥臂的两端；钳位电容与两个桥臂的两个上桥臂或者与两个下桥臂形成钳位吸收电路；双向开关单元包括至少两个可控开关管；
该方法包括：
S1401：控制双向开关单元中的开关管动作；
S1402：控制钳位电容抑制开关管动作过程中产生的电压尖峰。
本申请实施例提供的矩阵隔离变换器的控制方法，由于双向开关模组中包括钳位电容，利用钳位电容可以抑制开关管在开关过程中的尖峰电压，从而保护开关管，进而保护整个变换器的安全，提高整个变换器的可靠性。
双向开关模组包括两个可控开关管时，两个可控开关管同位于两个上桥臂或同位于两个下桥臂。
双向开关模组包括以下四个可控开关管：第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；
第一开关管的第一端和第三开关管的第一端均连接钳位电容的第一端，第二开关管的第二端和第四开关管的第二端均连接钳位电容的第二端，第一开关管的第二端连接第二开关管的第一端，第三开关管的第二端连接第四开关管的第一端；
第一开关管和第二开关管的公共端为双向开关模组的第一端，第三开关管和第四开关管的公共端为双向开关模组的第二端。
本实施例提供的方法，当变换器包括串联的至少两个双向开关模组时，还包括：
在钳位电容的电压大于第一预设电压时，控制双向开关单元中的可控开关管动作为钳位电容放电直至钳位电容的电压小于第二预设电压；以平衡所述至少两个双向开关模组之间的电压；第一预设电压大于第二预设电压；应该理解，控制开关管动作为钳位电容放电时，双向开关模组中需要包括至少三个开关管。
本实施例提供的方法，当变换器包括串联的至少两个双向开关模组时，还包括：
在钳位电容的电压小于第三预设电压时，控制双向开关单元中的可控开关管动作为钳位电容充电直至钳位电容的电压大于第四预设电压；以平衡所述至少两个双向开关模组之间的电压；第三预设电压小于第四预设电压，
其中，第二预设电压大于第三预设电压。
本实施例提供的方法，当变换器包括串联的至少两个双向开关模组时，可以通过控制双向开关模组中的可控开关管的动作，对钳位电容进行充电或放电，进而改变钳位电容上的电压，来实现多个串联的双向开关模组之间的电压平衡，当电压平衡时，可以包括多个双向开关模组中的开关管的电压应力均衡，不会出现有的双向开关模组中的开关管承受的电压应力较大，有的双向开关模组中的开关管承受的电压应力较小，从而可以更好地对开关管进行保护。
当矩阵隔离变换器为三相矩阵隔离变换器，三相矩阵隔离变换器的每相包括至少一个双向开关模组；
该方法还包括：
控制相电压绝对值最高相中不承受电压应力的开关管一直导通，所述最高相中承受电压应力的开关管以预设占空比开关动作；
控制相电压绝对值次高相中的在最高相开关管导通时不承受电压应力的开关管在最高相的双向开关模组关断前导通，次高相中的承受电压应力的开关管在最高相的双向开关模组关断后导通；
控制相电压绝对值最小相中在次高相的双向开关模组导通时不承受电压应力的开关管在次高相双向开关模组关断前导通，承受电压应力的开关管在次高相的双向开关模组关断后导通。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (17)

1.一种矩阵隔离变换器，其特征在于，包括：双向开关模组、变压器、谐振电感、谐振电容和桥臂电容；
所述双向开关模组与所述桥臂电容串联形成变换器的桥臂，所述变换器的每个桥臂包括至少一个双向开关模组；
所述变压器的初级绕组与所述谐振电感和所述谐振电容串联后连接所述变换器的桥臂的两端；
所述双向开关模组包括：钳位电容和双向开关单元；所述双向开关单元形成模组的两个桥臂，所述钳位电容的两端连接所述模组的两个桥臂的两端；所述钳位电容与所述两个桥臂的两个上桥臂或者与两个下桥臂形成钳位吸收电路；所述双向开关单元包括至少两个可控开关管；
所述钳位电容，用于抑制所述双向开关模组中的开关管动作时产生的电压尖峰。
2.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述双向开关模组包括两个可控开关管时，两个可控开关管同位于两个上桥臂或同位于两个下桥臂。
3.根据权利要求2所述的变换器，其特征在于，所述双向开关模组包括以下四个可控开关管：第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；
所述第一开关管的第一端和所述第三开关管的第一端均连接所述钳位电容的第一端，所述第二开关管的第二端和所述第四开关管的第二端均连接所述钳位电容的第二端，所述第一开关管的第二端连接所述第二开关管的第一端，所述第三开关管的第二端连接所述第四开关管的第一端；
所述第一开关管和所述第二开关管的公共端为所述双向开关模组的第一端，所述第三开关管和所述第四开关管的公共端为所述双向开关模组的第二端。
4.根据权利要求2所述的变换器，其特征在于，所述双向开关模组包括以下三个可控开关管和一个二极管：第一开关管、第二开关管、第三开关管和第一二极管；
所述第一开关管和所述第二开关管串联形成所述模组的第一桥臂，所述第三开关管和所述第一二极管串联形成所述模组的第二桥臂。
5.根据权利要求2所述的变换器，其特征在于，所述双向开关模组包括以下两个可控开关管和两个二极管：第一开关管和第二开关管、第一二极管和第二二极管；
所述第一开关管和所述第一二极管串联形成所述模组的第一桥臂，所述第二开关管和所述第二二极管串联形成所述模组的第二桥臂。
6.根据权利要求1-4任一项所述的变换器，其特征在于，所述变换器包括串联的至少两个双向开关模组；
所述变换器还包括控制器；所述控制器，具体用于在所述钳位电容的电压大于第一预设电压时，控制所述双向开关单元中的可控开关管动作为所述钳位电容放电直至所述钳位电容的电压小于第二预设电压，以平衡所述至少两个双向开关模组之间的电压；所述第一预设电压大于所述第二预设电压。
7.根据权利要求1-5任一项所述的变换器，其特征在于，所述变换器包括串联的至少两个双向开关模组；
所述变换器还包括控制器；所述控制器，具体用于在所述钳位电容的电压小于第三预设电压时，控制所述双向开关单元中的可控开关管动作为所述钳位电容充电直至所述钳位电容的电压大于第四预设电压，以平衡所述至少两个双向开关模组之间的电压；
所述第三预设电压小于所述第四预设电压。
8.根据权利要求2-5任一项所述的变换器，其特征在于，当所述矩阵隔离变换器为三相矩阵隔离变换器，所述三相矩阵隔离变换器的每相包括至少一个所述双向开关模组；
所述变换器还包括：控制器；所述控制器，还用于控制相电压绝对值最高相中不承受电压应力的开关管一直导通，所述最高相中承受电压应力的开关管以预设占空比开关动作；
所述控制器，还用于控制相电压绝对值次高相中的在最高相开关管导通时不承受电压应力的开关管在最高相的双向开关模组关断前导通，次高相中的承受电压应力的开关管在最高相的双向开关模组关断后导通；
所述控制器，还用于控制相电压绝对值最小相中在次高相的双向开关模组导通时不承受电压应力的开关管在次高相双向开关模组关断前导通，承受电压应力的开关管在次高相的双向开关模组关断后导通。
9.根据权利要求1-7任一项所述的变换器，其特征在于，每个所述变换器的桥臂包括多个所述双向开关单元时，多个所述双向开关单元串联在一起。
10.根据权利要求1-7任一项所述的变换器，其特征在于，所述变压器的次级绕组连接整流桥，所述整流桥包括二极管或可控开关管中的至少一项。
11.根据权利要求9所述的变换器，其特征在于，所述变压器包括多个次级绕组，每个次级绕组连接对应的整流桥。
12.一种矩阵隔离变换器的控制方法，其特征在于，所述矩阵隔离变换器包括：双向开关模组、变压器、谐振电感、谐振电容和桥臂电容；所述双向开关模组与所述桥臂电容串联形成变换器的桥臂，所述变换器的每个桥臂包括至少一个双向开关模组；所述变压器的初级绕组与所述谐振电感和所述谐振电容串联后连接所述变换器的桥臂的两端；所述双向开关模组包括：钳位电容和双向开关单元；所述双向开关单元形成模组的两个桥臂，所述钳位电容的两端连接所述模组的两个桥臂的两端；所述钳位电容与所述两个桥臂的两个上桥臂或者与两个下桥臂形成钳位吸收电路；所述双向开关单元包括至少两个可控开关管；
该方法包括：
控制所述双向开关模组中的开关管动作；
控制所述钳位电容用于抑制所述双向开关模组中的开关管动作时的电压尖峰。
13.根据权利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述双向开关模组包括两个可控开关管时，两个可控开关管同位于两个上桥臂或同位于两个下桥臂。
14.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于，所述双向开关模组包括以下四个可控开关管：第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；
所述第一开关管的第一端和所述第三开关管的第一端均连接所述钳位电容的第一端，所述第二开关管的第二端和所述第四开关管的第二端均连接所述钳位电容的第二端，所述第一开关管的第二端连接所述第二开关管的第一端，所述第三开关管的第二端连接所述第四开关管的第一端；
所述第一开关管和所述第二开关管的公共端为所述双向开关模组的第一端，所述第三开关管和所述第四开关管的公共端为所述双向开关模组的第二端。
15.根据权利要求12-13任一项所述的控制方法，其特征在于，所述变换器包括串联的至少两个双向开关模组；
还包括：
在所述钳位电容的电压大于第一预设电压时，控制所述双向开关单元中的可控开关管动作为所述钳位电容放电直至所述钳位电容的电压小于第二预设电压，以平衡所述至少两个双向开关模组之间的电压；所述第一预设电压大于所述第二预设电压。
16.根据权利要求13或14所述的控制方法，其特征在于，所述变换器包括串联的至少两个双向开关模组；
还包括：
在所述钳位电容的电压小于第三预设电压时，控制所述双向开关单元中的可控开关管动作为所述钳位电容充电直至所述钳位电容的电压大于第四预设电压，以平衡所述至少两个双向开关模组之间的电压；
所述第三预设电压小于所述第四预设电压。
17.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于，当所述矩阵隔离变换器为三相矩阵隔离变换器，所述三相矩阵隔离变换器的每相包括至少一个所述双向开关模组；
该方法还包括：
控制相电压绝对值最高相中不承受电压应力的开关管一直导通，所述最高相中承受电压应力的开关管以预设占空比开关动作；
控制相电压绝对值次高相中的在最高相开关管导通时不承受电压应力的开关管在最高相的双向开关模组关断前导通，次高相中的承受电压应力的开关管在最高相的双向开关模组关断后导通；
控制相电压绝对值最小相中在次高相的双向开关模组导通时不承受电压应力的开关管在次高相双向开关模组关断前导通，承受电压应力的开关管在次高相的双向开关模组关断后导通。
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