车用新型AC_DC矩阵式变换器汇总
AC-DC换流器
阅读报告 AC/DC换流器换流器（Converter）概念：是由单个或多个换流桥组成的进行交、直流转换的设备。
换流器的功能：实现交流-直流-整流器（Rectifer）的变换。
当触发角 <90°时，换流器运行于整流工况，叫整流器。
在电力电子技术的许多应用领域中，通常需要将工频的正弦交流电能变换为直流电能，即AC/DC转换。
AC/DC换流器，又称为整流器，是通过半导体开关器件（如SCR、GTO、GTR、IGBT和功率MOSFET等）的开通和关断作用，把交流电能变换成直流电能的一种电力电子变换器。
晶闸管换流阀的通断条件：换流阀的阳极电位必须高于阴极电位（即：阀电压必须是正向的）或在控制极加上触发所需的脉冲时导通；阀电流减小到零，且阀电压保持一段时间等于零或为负，使阀元件内多余载流子消失时关断。
按结构分可分为单桥（6脉动）和多桥（12脉动及以上）。
6脉动换流器是三相桥式换流回路而12脉动换流器是由两个交流侧电压相位差30°的6脉动换流器所组成的。
巨大多数直流输电工程均采用12脉动换流器，用于直流输电的电力换流器都采用三相桥式接线。
12脉动换流器：两个6脉动换流单元在直流侧串联而在交流侧并联。
换流变阀侧接线方式，必须一个为星形接线，另一个为三角形接线。
改善谐波性能，交流侧和逆变侧可只分别配备12k± 1次和12k次的滤波器，从而可简化滤波装置，缩小占地面积，降低换流站造价。
AC/DC换流器的应用1. 高压直流输电：相比于交流输电，直流输电有许多优点，适合远距离，大功率输电。
进行直流输电的首要任务是将工频的交流电能转换为直流电能，即AC/DC转换，然后经过直流线路输送到另一端，再经过DC/AC转换，变为工频交流电能。
由于我们要通过换流器对电能的传输进行控制，在直流输电中所用的是可控的AC/DC换流器。
2. 作为直流电源。
在需要直流电源的场合，通过AC/DC换流器将交流电能变换为直流电能作为直流电源。
DC-DC及AC-DC
DC/DCDC/DC 【中文解释】就是指直流转直流电源。
DC/DC概念是指将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压，也称为直流斩波器。
这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。
用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。
直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源)，同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。
DC/DC工作原理DC/DC变换是将原直流电通过调整其PWM（占空比）来控制输出的有效电压的大小。
AC/DC的概念AC=Alternating Current.DC=Direct Current.AC/DC即为将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。
AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大，限制了AC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。
AC/DC变换按电路的接线方式可分为，半波电路、全波电路。
按电源相数可分为，单项、三相、多相。
按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。
第6章DC-AC变换技术
由于D2、D3(或D1、D4)续流，电压形成一个与导通期间伏秒积相等的负(正)的面积。如果Q1和Q4（Q2和Q3）导通时间超过Ts/4，波形导通时间变化的影响。由此可见，全桥逆变器在感性负载时不宜采用双极性控制方式。 vAB的有效值和瞬时值为： ——为输出电压角频率。 当n=1时，其基波分量的有效值为： 显然当电源电压和负载不变时，其输出功率是半桥电路的4倍。
图6-6 逆变器输出瞬时电压和电流曲线
图6-7 四象限工作情况
图6-8 反并联二极管
3 、逆变器波形指标 实际逆变器的输出波形总是偏离理想的正弦波形，含有谐波成分，为了评价输出波形的品质质量，从电压角度引入下述几个参数指标： 1）谐波因子（Harmonic Factor） 第n次谐波因子HFn定义为第n次谐波分量有效值同基波分量有效之值比，即 2）总谐波（畸变）因子THD (Total harmonic distortion factor) 该参数表征了一个实际波形同基波分量的接近程度。输出为理想正弦波的THD为零。 3）畸变因子（Distortion factor） 总谐波因子指示了总的谐波合量，但它并不能告诉我们每一个谐波分量的影响程度，畸变因子定义： 对于第次谐波的畸变因子定义如下：
图6-13 方波逆变器输出频谱
因此，我们得出方波逆变器输出的频谱图，如图6-13所示，并有以下结论： （1）方波逆变器输出的方波谐波幅度随着n的增加而减小，其减小系数为1/n； (2)偶次谐波不存在； (3)最低次谐波为3次谐波； (4)由于基波和谐波频率差较小，低通滤波器设计相当困难。 图6-14为方波的各次谐波时域图。
图6-12 全桥电路移相控制方式的工作过程
3傅立叶级数、方波逆变器输出谐波 1)傅立叶级数 傅立叶级数是研究和分析波形形状的工具。为了分析方便，把傅立叶级数的基本定义、概念叙述如下。 在实际问题中，除了正弦函数外，还会遇到许多非正弦的周期函数，为了研究非正弦的周期函数，将周期函数展开成由三角函数组成的级数，即将周期为 的周期函数用一系列三角函数 之和来表示： 其中 都是常数。
电子电子技术第4章 DC-AC变换电路
控制方式：开关器件T1和T2在一个输出电压基波周期 T0内互补地施加触发驱动信号，且两管驱动信号时间 都相等
当T1导通T2关断时 ，当T2导通T1关断时 ，所以电压波形为占空 比为50％的方波。改变T1和T2的驱动信号的频率，即可以改变 输出电压的频率，输出电压的基波频率
输出电压：
开T20 关t 管T0 时T2、，T开3，关当管负T载2、电T3被流触由发a流，向当b负时载，电电流流由经过b流D2向、aD时 3续，流电流流经
瞬时负载电流 ：
iL
n 1,3,5...
4VD n Zn
sin
(nt
n )
– 其中n次谐波阻抗 Zn R2 (nL)2
且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容 器电压的平衡 半桥电路常用于几kw以下的小功率逆变电源
2.电压型单相全桥式逆变电路
电路特点：全桥电路可看作由两个半桥电路组成，有四个桥臂， 包括四个可控开关器件及反并联二极管，在直流母线上通常还 并联有滤波电容。
控制方式：T1和T4同时开通和关断，T2和T3同时开通和关断（存
b) 电流型逆变器：在直流测串联有大电感，可以抑制输出直流电
流纹波，使得直流测可以近似看作一个理想电流源。
按交流输出类型分类：
a) 当变换装置交流侧接在电网上，把直流电逆变成同频率的 交流电回馈到电网上去，称为有源逆变。
b) 当变换装置交流侧和负载连接时，将由变换装置直接给电 机等负载提供频率可变的交流电，这种工作模式被称为无 源逆变。
b) 负载换流：由负载提供换流电压称为负载换流，通常采用 的是负载谐振换流。
c) 强迫换流：通过附加的换流装置，给欲关断的器件强迫施 加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流。
矩阵变换器 PPT课件
Sapn
p idc
p
Sap
idc
Sapp Sanp Sann
n
Sapp Sanp Sann
n
Sa
San n
整流级开关减少步骤
Sap
Sbp
Scp
vsb Lf isb
vsa isa
Sa
Sb
Sc
vsc isc
功率开关个数可以进一 步减少到15个。性能与 18开关电路相同 ，但传 导损耗显然要大于18开 关电路
p
Sap
Sbp
Scp
a
SAP
SBP SCP
A
双级矩阵变换器是在单
b
级矩阵变换器间接空间
c
矢量调制思想基础上发
展起来的一种新型矩阵
变换器拓扑结构。
需要12个双向开关即24个单向开关
B C
San
Sbn
整流级
Scn n
SAn
SBn SCn
逆变级
双级矩阵变换器拓扑结构图
七、双级矩阵变换器拓扑结构
在中间直流电 压始终控制为 上正下负的条 件下，逆变级 只需采用单向 开关，是传统 的电压型逆变 器结构，双级 矩阵变换器功 率开关个数减 少到18个。
电力电子技术
矩阵变换器
主要内容
矩阵变换器的研究背景 基本电路拓扑 调制基本原理与调制策略 安全换流技术 双级矩阵变换器的简介 保护电路 研究热点及应用前景
一、研究背景
目前工业生产和日常生活中广泛使用的变频器存 在很多缺点，如寿命短、可靠性差、体积大、成本 高。其中最突出的缺陷是对电网造成的谐波污染。
ic
0
定义:
1 Sij 0
Va
Vb
矩阵变换器研究综述
矩阵变换器研究综述阵变换器研究综述1 引⾔随着电⼒电⼦技术的迅速发展，交-交变频器在传动系统中已经得到了⼴泛的应⽤，但也存在⼀些固有的缺陷，因此研究新型的既有优良控制性能和输⼊电流品质⽽⼜成本低、结构紧凑、性能可靠的交-交变频器已成为当前的发展趋势。
矩阵式变换器是⼀种直接交-交变频器，与传统的⾃然换流变频器相⽐，具有以下优点:l ⽆中间直流环节，结构紧凑，体积⼩，效率⾼，便于实现模块化;l ⽆需较⼤的滤波电容，动态响应快;l 能够实现能量双向流动, 便于电动机实现四象限运⾏;l 控制⾃由度⼤,输出电压幅值和频率范围连续可调;l 输⼊功率因数可控，带任何负载时都能使功率因数为1.0;l 输出电压和输⼊电流的低次谐波含量较⼩;l 实现功率集成后能够改善变换器内部的电磁兼容性，其输出的pwm电压和输⼊功率因数可调的特点能够改善电动机、变换器与电源之间的电磁兼容性[1]。
矩阵变换器的原理在80年代被提出，由于具有性能优良的潜在优势，越来越引起⼈们的重视，有逐步取代交-直-交变频器、周波变流器的趋势[2]。
特别是它具有本⾝不产⽣谐波污染的同时,能够对电⽹进⾏⽆功补偿的能⼒，其总体性能⾼于其它变换器。
在⽇益关注可持续发展问题，⼤⼒推⾏电⼒环保、绿⾊电源的今天，研究与开发矩阵式变换器特别具有现实意义。
矩阵变换器的关键技术主要包括:主回路的拓扑结构和⼯作原理、安全换流技术、调制策略和保护电路设计等，下⾯就这些关键技术的研究进⾏⼀⼀介绍。
2 主回路拓扑结构和⼯作原理矩阵变换器的名称来源于它的矩阵状拓扑结构。
⼀个m相输⼊、n相输出的矩阵变换器，由m×n 个双向开关组成，它们排列成矩阵形状，分单级和双级两种。
图1 单级矩阵变换器拓朴结构2.1 单级矩阵变换器常规的矩阵变换器是⼀种单级交-交变换器(见图1)，其结构简单，可控性强，但存在以下缺陷: l 最⼤电压增益为0.866，并且与控制算法⽆关;l 主电路的9个双向开关存在控制和保护问题，应采⽤安全换流技术;l 必须采⽤复杂的pwm控制和保护策略，同时要求复杂的箝位保护电路。
AC-DC
。 Cr的原因 ②在0中的谐波幅值 直流分量0m cos时段，0 < 0 i > I 时段， i ，
侧流动，补充s所需的无功，以保证功 L 所需的无功， 功率将从直流侧向交流 侧流动， 率因素
λ = 1 因此， M整流必定会在整流和有 PW 。因此， 源逆变工作状态交替进。 行
i
uabuac ub ubauca uc uab uac
c b
3.1 (传统)相控整流电路 传统)
3.1.2 相控(传统)整流的主要缺陷 相控(传统) 1. 网侧功率因素低、谐波大 网侧功率因素低、
=
相控整流电路功率因素： λ = cosα 相控整流电路功率因素：
I1 →基 电 因 ; α →触 (控 ) 。 波 流 子 发 制角 I
3. AC/DC变换 变换
事实上，在电源电压 一定的情况下，改变u 的幅值以及与u 事实上，在电源电压us一定的情况下，改变 N1的幅值以及与 s之间的相位 可以得到PWM整流电路的不同工作状态，如下图所示： 整流电路的不同工作状态， 差，可以得到 整流电路的不同工作状态 如下图所示：
Is1
Us jωLs Is1
s s s1 s s1 N1
Is1
Us jωLs Is1
UN1
所示。可求得： 据此可画得相量图如图 所示。可求得： uN1 = UN1m sin(ωt )
Rs Is1
≈ tg1
ωLs
Rs
R （一般交流等效内阻 s <<ωLs）
进一步分析i 忽略整流电路的内部损耗，则有： 进一步分析 0。忽略整流电路的内部损耗，则有：
第5章 AC-DC变换原理及控制
b ib Im
t
ia a
cic
PWM变流器交流侧三相电流瞬时值有 ia+ib+ic=0的关系，可设通用 电流矢量I在(a,b,c)三相轴上的投影等于刚好等于ia 、ib 、ic，所以有ia 、 ib 、ic与电流矢量I的模Im的关系如下
ia Im cos ib Im cos( 1200 ) ic Im cos( 1200 )
第5章 AC/DC变换原理与控制
第5章 AC/DC变换原理与控制
• AC/DC变换器（整流器）在电力电子技术的发展历程中是应用较早的 一种电能变换设备。在整流部分已由传统的二极管整流、相控整流发展 到目前应用较为广泛的PWM整流
• PWM变流器利用全控型功率开关器件，采用脉宽调制变流控制方法可 以实现网侧电流正弦化且功率因数可以控制(如单位功率因数控制)； PWM变流器可以实现能量的双向传输，当它从电网获取电能时，它工 作于整流状态，而当它向电网输送电能时，其工作于有源逆变状态。
5.2 PWM型AC/DC变换器主电路设计
5.2.1 功率器件选型 5.2.2 交流侧电感设计 5.2.3 直流侧电容的设计
5.2.1 功率器件选型
由于开关器件耐压的选取与直流侧电压有关，本节仅就PWM变流器 交直流侧电压关系进行分析，为开关器件耐压及电感的选取等提供理论 依据。忽略PWM变流器交流侧电阻R，且只讨论基波正弦量，稳态条件 下PWM变流器交流侧a相等效电路和相量关系图如图所示。
L did dt
ed
Rid
Sdudc
Liq
L diq dt
eq
Riq
Squdc
Lid
C dudc dt
3 2
(Sd
id