CN110537320B - 一个相断开或短路时操作基于矩阵转换器的整流器的装置和方法 - Google Patents

一个相断开或短路时操作基于矩阵转换器的整流器的装置和方法 Download PDF

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Abstract

一种电源电路，包括：矩阵转换器，将第一输入交流(AC)相至第三输入交流(AC)相转换成单个初相；变压器，包括电连接到单个初相的初级侧；整流器，电连接到变压器的次级侧；以及输出电压端子，电连接到整流器。矩阵转换器包括第一双向开关对至第六双向开关对，并且第一双向开关对至第六双向开关对中的每个双向开关对包括第一单向开关和第二单向开关。当第三输入AC相断开或短路时，第二双向开关对和第五双向开关对关断；并且在第一双向开关对、第三双向开关对、第四双向开关对和第六双向开关对中的每个双向开关对中，第一单向开关和第二单向开关中的一个单向开关导通，第二单向开关和第一单向开关中的另个单向开关作为全桥相移转换器操作。

Description

一个相断开或短路时操作基于矩阵转换器的整流器的装置和 方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年3月31日提交的美国临时专利申请No.62/479,552的权益。该申请的全部内容通过引入并入本文。
技术领域
本发明涉及矩阵转换器。更具体地，本发明涉及当矩阵整流器的一个输入相与源断开或者与源的地短路时多相矩阵整流器的操作。
背景技术
通常，用于电信和高压直流(HVDC)系统的电源使用标准的两阶段方法。这两个阶段包括前端功率因数校正(PFC)整流器以及隔离式直流到直流(DC-DC)转换器。然而，对于三相输入，单阶段隔离式矩阵型整流器在高功率密度和高效率方面是有利的。通常，单阶段隔离式矩阵型整流器可以配备三相到一相矩阵转换器，该矩阵转换器直接将输入AC电压的干线频率转换成高频AC电压，该高频AC电压被供应给具有次级电压的高频隔离变压器，然后被整流成期望的DC输出电压。矩阵整流器的设计可能具有挑战性，因为PFC和隔离式DC-DC转换必须在整个负载上和输入线电压范围内同时执行。
使用矩阵整流器时，由于缺少中间存储能量以及通常设计用于低容差输出电压调节的第二阶段DC-DC转换器，因此当三个输入相中的一个相断开或短路(与源的地短路)时，难以保持输出电压且难以输送连续功率。
发明内容
本发明的优选实施例提供一种矩阵整流器，当一个输入相断开或短路时，该矩阵整流器能够连续地操作DC-DC转换器，将总功率的大约三分之二输送给输出负载，在由于相移操作而导致的零电压切换(ZVS)条件下操作，和/或保持输出电压。
根据本发明的优选实施例的电源电路包括：矩阵转换器，其将第一输入交流(AC)相、第二输入AC相和第三输入AC相转换成单个初相；变压器，包括电连接到单个初相的初级侧；整流器，电连接到变压器的次级侧；以及输出电压端子，电连接到整流器。矩阵转换器包括第一双向开关对至第六双向开关对，并且第一双向开关对至第六双向开关对中的每个双向开关对包括第一单向开关和第二单向开关。第一双向开关对的第一端、第三双向开关对的第一端和第五双向开关对的第一端连接在一起，以提供正电压节点。第二双向开关对的第一端、第四双向开关对的第一端和第六双向开关对的第一端连接在一起，以提供负电压节点。第一双向开关对的第二端和第四双向开关对的第二端各自连接到第一输入AC相，第三双向开关对的第二端和第六双向开关对的第二端各自连接到第二输入AC相，第五双向开关对的第二端和第二双向开关对的第二端各自连接到第三输入AC相。当第三输入AC相断开或短路时，第二双向开关对和第五双向开关对关断，并且在第一双向开关对、第三双向开关对、第四双向开关对和第六双向开关对中的每个双向开关对中，第一单向开关和第二单向开关中的一个单向开关导通并且第二单向开关和第一单向开关中的另一个单向开关作为全桥相移转换器操作。
优选地，第一双向开关对至第六双向开关对中的每个双向开关对的第一单向开关和第二单向开关彼此串联地电连接。优选地，第一双向开关对至第六双向开关对中的每个双向开关对的第一单向开关和第二单向开关是金属氧化物半导体场效应晶体管。
优选地，第一双向开关对和第六双向开关对以相同的第一导通持续时间导通，并且第三双向开关对和第四双向开关对以相同的第二导通持续时间导通。
优选地，在第一输入AC相大于第二输入AC相的间隔期间，第一双向开关对的第一单向开关和第三双向开关对的第二单向开关作为互补开关操作；并且第四双向开关对的第二单向开关和第六双向开关对的第一单向开关作为互补开关操作。
优选地，在第一输入AC相大于第二输入AC相的间隔期间，第一双向开关对的第二单向开关、第三双向开关对的第一单向开关、第四双向开关对的第一单向开关和第六双向开关对的第二单向开关全部导通。
优选地，在第一输入AC相大于第二输入AC相的间隔期间，控制第一双向开关对的第二单向开关、第三双向开关对的第一单向开关、第四双向开关对的第一单向开关和第六双向开关对的第二单向开关，以提供同步整流。
优选地，在第一输入AC相小于第二输入AC相的间隔期间，第一双向开关对的第二单向开关和第三双向开关对的第一单向开关作为互补开关操作，并且第四双向开关对的第一单向开关和第六双向开关对的第二单向开关作为互补开关操作。
优选地，在第一输入AC相小于第二输入AC相的间隔期间，第一双向开关对的第一单向开关、第三双向开关对的第二单向开关、第四双向开关对的第二单向开关和第六双向开关对的第一单向开关全部导通。
优选地，在第一输入AC相小于第二输入AC相的间隔期间，控制第一双向开关对的第一单向开关、第三双向开关对的第二单向开关、第四双向开关对的第二单向开关和第六双向开关对的第一单向开关，以提供同步整流。
优选地，导通和关断第一双向开关对至第六双向开关对，以调节输出电压端子的输出电压电平。优选地，电源电路包括控制器，该控制器是微控制器、处理器、现场可编程门阵列或复杂可编程逻辑器件。
优选地，矩阵转换器是降压型转换器。
优选地，整流器包括布置成电桥的四个二极管。
优选地，电源电路包括输出滤波器，该输出滤波器电连接到整流器的输出端。优选地，输出滤波器包括输出电感器和输出电容器。
电源电路包括输入滤波器，该输入滤波器电连接到第一输入AC相、第二输入AC相和第三输入AC相中的每个输入AC相。
根据下面参考附图对优选实施例的详细描述，本发明的上述以及其他元件、特征、步骤、特性和优点将变得更显而易见。
附图说明
图1示出了隔离式矩阵整流器的电路图。
图2示出了矩阵整流器的三相输入电压的波形。
图3A和图3B示出了零电压切换全桥DC-DC转换器的图。
图4A和图4B示出了其中一个相断开或短路的矩阵转换器的波形。
图5A和图5B示出了在不同的相间隔期间，其中一个相断开或短路的矩阵转换器的等效电路图。
图6A和图6B示出了在切换时段期间的开关门信号。
图7示出了其中一个相短路的矩阵整流器的示例性波形图。
具体实施方式
下面将参考附图描述本发明的优选实施例。
应注意的是，以下表示本发明的示例的优选实施例仅用于说明性目的，并且本发明不限于以下优选实施例中公开的内容。在不同的优选实施例中公开的内容能够在实际应用中彼此组合，并且在那些情况下的修改的优选实施例也包括在本发明的范围内。附图用于辅助理解优选实施例，并且它们并不总是严格意义上的精确绘制。在一些情况下，例如，附图中所示出的组成元件本身之间的尺寸比或元件或特征之间的距离的尺寸比与描述中所描述的尺寸比不匹配。此外，从附图中省略了在描述中解释的一些元件或特征，或者根据具体情况，以减少的数量将它们示出。
本发明的优选实施例改进了当一个输入相断开或短路时矩阵整流器的操作。如下所述，如果一个输入相断开，则切换方案和控制方案操作矩阵整流器，以连续地将功率输送给负载。
图1是示出可用作本发明的优选实施例的三相到一相矩阵整流器的拓扑结构的电路图。然而，本发明的优选实施例不限于图1所示的电路，并且可以使用其他整流器和/或电路拓扑结构。
图1所示的矩阵整流器包括连接整流器的三相到一相矩阵转换器。在图1中，“线路侧”或“初级侧”指代在变压器Tr左手侧的电路部分，其连接到三个相A、B、C中的每个相的线电压νa、vb、vc；“负载侧”或“次级侧”指代在变压器Tr右手侧的电路部分，其连接到输出电压Vo，即负载。在线路侧，三相交流电流(AC)通过三相到一相矩阵转换器而组合成单相AC电流，该三相到一相矩阵转换器包括双向开关对S11至S16和S21至S26。在负载侧，通过整流器对单相AC电流进行整流，该整流器包括二极管D1至D4，以提供DC电流。变压器Tr的漏电感由图1中的Llk表示。
图1的隔离式矩阵整流器包括：滤波电感器Lf和滤波电容器Cf，其定义线路侧滤波器，该线路侧滤波器降低总谐波失真(THD)；双向开关对S11至S16和S21至S26布置成电桥，作为三相到一相矩阵转换器；变压器Tr，其提供线路侧电路与负载侧电路之间的高压隔离；四个二极管D1至D4，布置成电桥，以提供输出整流；以及输出电感器Lo和输出电容器Co，其定义输出电压Vo的负载侧滤波器。双向开关对S11至S16和S21至S26成对布置并且用于图1的隔离式矩阵整流器中，以操作电流路径。如图1所示，双向开关对S11至S16和S21至S26包括六对并联连接的单向开关。
如图1所示，矩阵整流器优选地包括两个阶段：(1)三相到一相矩阵转换器，以及(2)二极管整流器。备选地，可以使用同步整流来实现更高的效率，在同步整流中用开关代替二极管。该矩阵转换器和二极管整流器由高频变压器Tr隔离。
矩阵整流器的控制器导通和关断双向开关对S11至S16和S21至S26，以产生输出电压Vo的期望电压电平。该控制器可以由微控制器、处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)等实现。
优选地，例如，用作本发明优选实施例的矩阵整流器包括：第一相、第二相和第三相；以及单向开关Sij，其中i＝1、2并且j＝1、2、3、4、5、6，并且其中，单向开关S1j和S2j连接在一起以定义六个双向开关对。
第一双向开关对S11、S21的第一端、第三双向开关对S13、S23的第一端和第五双向开关对S15、S25的第一端连接在一起，以提供正电压节点。第二双向开关对S12、S22的第一端、第四双向开关对S14、S24的第一端和第六双向开关对S16、S26的第一端连接在一起，以提供负电压节点。第一双向开关对S11、S21的第二端和第四双向开关对S14、S24的第二端各自连接到第一相电压va。第三双向开关对S13、S23的第二端和第六双向开关对S16、S26的第二端各自连接到第二相电压vb。第五双向开关对S15、S25的第二端和第二双向开关对S12、S22的第二端各自连接到第三相电压vc。
图2示出了图1所示的矩阵转换器的三个输入电压相的波形。图2示出了根据时间而被划分成60°间隔I至VI的输入电压νA、νB、νC的相对的相。阴影部分I以相位角θ＝0至±30°为中心。输入电压νA、νB、νC中的每个电压具有相同的最大电位Vm。
如图2所示，在输入电压νA、νB、νC的两个连续过零点之间的任何间隔I至VI内，三个电压中的两个电压不改变极性。例如，在-30°＜θ＜30°的间隔I(阴影区域)中，线电压νAB＝νA-νB和νAC＝νA-νC为正，并且νAB和νAC均在该间隔期间达到其最大值。因为矩阵转换器的切换频率远高于输入电压νA、νB、νC的频率，所以两个线电压νAB、νAC可以被视为缓慢变化的DC电压。
因此，可以将图1的线路侧的矩阵整流器重新绘制为等效的两个全桥相移(FB-PS)转换器，如图3A所示。图3A示出了如图1所示的连接到输入电压νA、νB、νC和电压输入节点的各种开关对。
在图2所示的每个60°间隔I至IV中，具有最高电压电位或最低电压电位的三相中的一个相由“电桥x”和“电桥y”共享。例如，如图3A所示，在间隔I中，相A具有最高电压电位νA，并且相A在“电桥x”和“电桥y”中是共用的。
图3B示出了其中相C断开或短路的等效全桥FB-PS转换器。在图3B中，“电桥y”的等效电路的虚线连接指示具有输入电压νC的相C断开。因此，其余的等效电路用“电桥x”和输入电压νA和νB操作，但不用输入电压νC操作。
图4A和图4B示出了其中一个相断开或短路的矩阵转换器的波形。图4A示出了与图2所示的波形类似的波形。然而，在图4A中，输入相C的虚线指示输入电压νC是断开的。
图4B示出了一个输入线周期内的波形，包括当一个相断开或短路时脉冲宽度调制(PWM)的极大夸大的切换时段。PWM切换频率远高于线频率。一个输入线周期可以包含数十或数百个PWM时段，取决于切换频率。因此，如果没有在图中极大夸大切换时段，则不能清楚地示出νP的PWM波形。对于六个间隔I-VI中的每个间隔，仅涉及连接到相A和相B的开关(例如，由于具有输入电压νC的相C断开或短路)，并且矩阵转换器与单个FB-PS转换器类似地操作。
参考图4B，正电压脉冲νP由控制器产生，控制器以相等的导通时间导通双向开关对S11、S21和S16、S26，创建νP＝νAB的正电压脉冲和幅度为IP、从相A流入相B的电流脉冲。为了保持变压器Tr磁通平衡，接下来控制器导通双向开关对S14、S24和S13、S23，产生与正电压脉冲具有相同持续时间的负电压脉冲。不管交流变压器电流如何，线路侧电流保持相同。当一个相(例如，具有输入电压νC的相C)断开或短路时，输出电压ν0在输入电压νAB低于相对于变压器初级侧的ν0时衰减，因为矩阵转换器是降压型转换器。在两个间隔V和II中，变压器初级电压低于相对于变压器初级侧的ν0，并且没有功率被输送到次级侧。因此，能够停止对矩阵转换器的调制，以降低门控损耗和其他损耗。
图5A和图5B示出了其中相C断开或短路的矩阵转换器的等效电路图。如图5A和图5B所示，假设相C断开或短路，在每隔60°相间隔内，三相转换器作为FB-PS转换器操作。
图5A示出了在-120°＜θ＜60°的间隔期间，当图2中νAB为正时，即当电压νA＞电压νB时三相转换器的等效电路。图5B示出了在60°＜θ＜-120°的间隔期间，当图2中νAB为负时，即当电压νA＜电压νB时的等效电路。
当一个输入电压不可用时，仅涉及六个双向开关对中的四个双向开关对(即十二个单向开关中的八个)，并且连接到缺失的输入相C的开关不操作。如图5A所示，单向开关S11、S24、S23、S16在相间隔-120°＜θ＜60°期间操作。如图5B所示，单向开关S21、S14、S13、S26在间隔60°＜θ＜-120°期间操作。
对于ZVS切换，双向开关对S11至S16和S21至S26中的每个双向开关对的单向开关优选为例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。因此，操作双向开关对S11至S16和S21至S26中的一些双向开关对，以产生用于变压器Tr的正脉冲和负脉冲，并将双向开关对S11至S16和S21至S26中的其他双向开关对作为同步整流开关操作，以降低传导损耗。
例如，在图5A中，在间隔-120°＜θ＜60°期间，电压νA＞电压νB；因此，等效电桥的单向开关S14、S21、S13和S26用于同步整流并且可以在间隔期间保持导通，这是因为这些开关的体二极管是正向偏置的。在此间隔期间，其余的四个单向开关S11、S24、S23和S16与FB-PS转换器类似地操作。图6A示出了在间隔-120°＜θ＜60°的一个切换时段TS期间，单向开关S11、S13、S14、S16、S21、S23、S24、S26的对应开关门信号。在图5A所示的电桥电路中，单向开关S24与右侧电路中的单向开关S16互补，单向开关S11与左侧电路中的单向开关S23互补，以防止电压νA和电压νB之间的短路。
作为另一示例，在间隔60°＜θ＜-120°期间，电压νA＜电压νB。因此，如图5B所示，单向开关S23、S16、S11和S24可以在间隔期间保持导通，这是因为这些开关的体二极管是正向偏置的。在此间隔期间，其余的四个单向开关S11、S24、S23和S16与FB-PS转换器类似地操作。如上所述，图6B示出了在间隔60°＜θ＜-120°的一个切换时段TS期间，单向开关S11、S13、S14、S16、S21、S23、S24、S26的对应开关门信号。在图5B所示的电桥电路中，单向开关S14与右侧电路中的单向开关S26互补，单向开关S21与左侧电路中的单向开关S13互补，以防止νA和νB之间的短路。
图7示出了表示本发明优选实施例的矩阵整流器的示例性波形。图7示出了输入电压νC短路时的波形。从上至下，波形为输出电压Vo(通道3)、变压器初级电压(通道1)和输入电压νC(通道2)。在时间t1，矩阵整流器在正常操作模式下操作。在时间t2，当输入电压νC下降到零时，矩阵整流器切换到如上所述的故障操作模式，并且输出电压Vo仍在调节。在时间t4，输入电压νC恢复，矩阵整流器切换回正常操作模式。在输入电压νC因短路而为零的间隔期间，矩阵整流器能够保持输出电压Vo并且将功率输送给输出。
虽然上面已经描述了本发明的优选实施例，但应当理解的是，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，变化和修改对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来确定。

Claims (17)

1.一种电源电路，包括：
矩阵转换器，将第一输入交流AC相、第二输入AC相和第三输入AC相转换成单个初相；
变压器，包括电连接到所述单个初相的初级侧；
整流器，电连接到所述变压器的次级侧；以及
输出电压端子，电连接到所述整流器；其中
所述矩阵转换器包括第一双向开关对至第六双向开关对；
所述第一双向开关对至所述第六双向开关对中的每个双向开关对包括第一单向开关和第二单向开关；
所述第一双向开关对的第一端、所述第三双向开关对的第一端和所述第五双向开关对的第一端连接在一起，以提供正电压节点；
所述第二双向开关对的第一端、所述第四双向开关对的第一端和所述第六双向开关对的第一端连接在一起，以提供负电压节点；
所述第一双向开关对的第二端和所述第四双向开关对的第二端各自连接到所述第一输入AC相；
所述第三双向开关对的第二端和所述第六双向开关对的第二端各自连接到所述第二输入AC相；
所述第五双向开关对的第二端和所述第二双向开关对的第二端各自连接到所述第三输入AC相；以及
当所述第三输入AC相断开或短路时：
所述第二双向开关对和所述第五双向开关对关断；
在所述第一双向开关对、所述第三双向开关对、所述第四双向开关对和所述第六双向开关对中的每个双向开关对中：
所述第一单向开关和所述第二单向开关中的一个单向开关导通，并且
所述第二单向开关和所述第一单向开关中的另一个单向开关作为全桥相移转换器操作。
2.根据权利要求1所述的电源电路，其中，所述第一双向开关对至所述第六双向开关对中的每个双向开关对的所述第一单向开关和所述第二单向开关彼此串联地电连接。
3.根据权利要求2所述的电源电路，其中，所述第一双向开关对至所述第六双向开关对中的每个双向开关对的所述第一单向开关和所述第二单向开关是金属氧化物半导体场效应晶体管。
4.根据权利要求1所述的电源电路，其中：
所述第一双向开关对和所述第六双向开关对以相同的第一导通持续时间导通；并且
所述第三双向开关对和所述第四双向开关对以相同的第二导通持续时间导通。
5.根据权利要求1所述的电源电路，其中：
在所述第一输入AC相大于所述第二输入AC相的间隔期间：
所述第一双向开关对的所述第一单向开关和所述第三双向开关对的所述第二单向开关作为互补开关操作；并且
所述第四双向开关对的所述第二单向开关和所述第六双向开关对的所述第一单向开关作为互补开关操作。
6.根据权利要求1所述的电源电路，其中，在所述第一输入AC相大于所述第二输入AC相的间隔期间，所述第一双向开关对的所述第二单向开关、所述第三双向开关对的所述第一单向开关、所述第四双向开关对的所述第一单向开关和所述第六双向开关对的所述第二单向开关全部导通。
7.根据权利要求1所述的电源电路，其中，在所述第一输入AC相大于所述第二输入AC相的间隔期间，控制所述第一双向开关对的所述第二单向开关、所述第三双向开关对的所述第一单向开关、所述第四双向开关对的所述第一单向开关和所述第六双向开关对的所述第二单向开关，以提供同步整流。
8.根据权利要求1所述的电源电路，其中：
在所述第一输入AC相小于所述第二输入AC相的间隔期间：
所述第一双向开关对的所述第二单向开关和所述第三双向开关对的所述第一单向开关作为互补开关操作；并且
所述第四双向开关对的所述第一单向开关和所述第六双向开关对的所述第二单向开关作为互补开关操作。
9.根据权利要求1所述的电源电路，其中，在所述第一输入AC相小于所述第二输入AC相的间隔期间，所述第一双向开关对的所述第一单向开关、所述第三双向开关对的所述第二单向开关、所述第四双向开关对的所述第二单向开关和所述第六双向开关对的所述第一单向开关全部导通。
10.根据权利要求1所述的电源电路，其中，在所述第一输入AC相小于所述第二输入AC相的间隔期间，控制所述第一双向开关对的所述第一单向开关、所述第三双向开关对的所述第二单向开关、所述第四双向开关对的所述第二单向开关和所述第六双向开关对的所述第一单向开关，以提供同步整流。
11.根据权利要求1所述的电源电路，其中，导通和关断所述第一双向开关对至所述第六双向开关对，以调节所述输出电压端子的输出电压电平。
12.根据权利要求9所述的电源电路，还包括控制器，所述控制器是微控制器、处理器、现场可编程门阵列或复杂可编程逻辑器件。
13.根据权利要求1所述的电源电路，其中，所述矩阵转换器是降压型转换器。
14.根据权利要求1所述的电源电路，其中，所述整流器包括布置成电桥的四个二极管。
15.根据权利要求1所述的电源电路，还包括输出滤波器，所述输出滤波器电连接到所述整流器的输出端。
16.根据权利要求15所述的电源电路，其中，所述输出滤波器包括输出电感器和输出电容器。
17.根据权利要求1所述的电源电路，还包括输入滤波器，所述输入滤波器电连接到所述第一输入AC相、所述第二输入AC相和所述第三输入AC相中的每个输入AC相。
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