1 引言
開關(guān)電路是電力電子學(xué)重要的研究內(nèi)容。電能的變換和調(diào)節(jié)都要靠各種開關(guān)電路來完成，針對不同應(yīng)用和對象的各種控制策略和方法最終也都要由開關(guān)電路來執(zhí)行。因此開關(guān)電路的研究一直是電力電子技術(shù)領(lǐng)域的熱點，比如各種軟開關(guān)電路、功率因數(shù)校正電路等。
開關(guān)電路主要由開關(guān)器件和電容、電感、變壓器等無源元件構(gòu)成，根據(jù)在電路中承受電壓和流過電流的不同，可以將開關(guān)器件按照表1分類。
逆變)電路中，通常開關(guān)元件僅承受單向電壓，但需要流過雙向電流，因此要采用逆導(dǎo)型開關(guān);在電流型ac-dc變換電路和dc-ac變換電路中，通常開關(guān)元件僅流過單向電流，但需要承受雙向電壓，因此要采用逆阻型開關(guān)。在很多dc-dc變換電路中，開關(guān)元件僅承受單向電壓、流過單向電流，因此可以采用單開關(guān)和二極管。在軟開關(guān)電路中，需要根據(jù)電路工作的具體情況選擇開關(guān)，難以一概而論。在ac-ac變換電路中，電路中的電壓和電流按周期重復(fù)，并且正負半周極性相反，開關(guān)在斷態(tài)既可能承受正壓，也可能承受反壓;通態(tài)時電流既可能為正也可能為負，因此只能采用雙向開關(guān)。
目前電力電子電路中廣泛使用的是逆阻型或逆導(dǎo)型開關(guān)元件，如scr、gto、gtr、mosfet、igbt等。這些元件只有正向通斷特性是可控的，反向特性為完全阻斷或完全導(dǎo)通，不具有可控性。這樣的開關(guān)構(gòu)成電路直接用于交流電能變換時會遇到很多困難，通常需要采用ac-dc-ac間接變換的辦法來解決。這樣不僅增加了裝置的復(fù)雜程度，降低了效率，而且為維持中間直流環(huán)節(jié)的電壓或電流，還需要較大的儲能電容或電感，明顯增加了裝置的成本、體積和重量。如果采用雙向開關(guān)電路，這些問題就可以迎刃而解。事實上，直接ac-ac變換僅是雙向開關(guān)電路的典型應(yīng)用之一。由于具備更高的控制自由度和靈活性，它還可以用于交流電能控制、dc-dc變換、高功率因數(shù)整流，正弦波逆變等等。在這些原本以單向開關(guān)電路占主導(dǎo)地位的應(yīng)用中，采用雙向開關(guān)電路可以簡化電路結(jié)構(gòu)、縮小體積、減輕重量，從而使裝置性能明顯提高。
雖然雙向開關(guān)電路具有十分誘人的優(yōu)點，但全控型雙向開關(guān)器件的制造卻受到工藝、成本等諸多因素的限制，目前只能采用單向開關(guān)復(fù)合的方法來構(gòu)成，成本較高，使用也很不方便，所以，矩陣變換器這一典型的雙向開關(guān)電路雖早在八十年代初就已問世，但至今仍未能推廣應(yīng)用。雙向開關(guān)拓撲的數(shù)量也遠遠不及現(xiàn)有的單向開關(guān)拓撲。
本文首先對各種雙向開關(guān)電路進行分類，并簡單介紹雙向開關(guān)器件的情況，然后分別介紹雙向晶閘管電路、交流斬波電路、矩陣電路等幾種典型的雙向開關(guān)電路，希望能夠為雙向開關(guān)電路推廣應(yīng)用提供一些幫助。
2 雙向開關(guān)電路的分類
根據(jù)所采用的器件、電路結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用的不同，可以將雙向開關(guān)按照圖1分類:
圖1 雙向開關(guān)的分類
圖1中雙向開關(guān)電路指電路中含有雙向開關(guān)的電路, 而純雙向開關(guān)電路指電路中只含有雙向開關(guān)而沒有單向開關(guān)。
圖1中tsc為晶閘管投切電容器(thyristor switched capacitor), fc+tcr為固定電容加晶閘管控制電抗器(fixed capacitor + thyristor controlled reactor)，均為電力系統(tǒng)中使用的靜止無功功率補償裝置。
3 雙向開關(guān)器件
雙向開關(guān)器件可以分成不具備自關(guān)斷能力的雙向晶閘管和具有雙向電壓阻斷能力、雙向開通和關(guān)斷均可控的全控型雙向開關(guān)器件兩類。
(1) 雙向晶閘管是具有雙向電壓阻斷能力，可以雙向觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管元件，其元件符號如圖2所示[1]。雙向晶閘管的特性類似2只反并聯(lián)普通晶閘管。實際電路中也有用兩只反并聯(lián)普通晶閘管代替雙向晶閘管的。目前還有將光隔離觸發(fā)器與雙向晶閘管封裝在同一模塊中，構(gòu)成所謂固態(tài)繼電器(solid state relay-ssr)，使用更為方便。
圖2 雙向晶閘管
(2) 全控型雙向開關(guān)指具有雙向電壓阻斷能力、雙向開通和關(guān)斷可控的器件，通常由igbt、mosfet等全控型器件組合構(gòu)成。
目前的電力半導(dǎo)體技術(shù)尚不能直接在硅片上制造出具有雙向電壓阻斷能力和雙向電流控制能力的真正的全控型雙向開關(guān)器件，實際電路中，通常采用的是用2只逆導(dǎo)型器件反向串聯(lián)或者2只逆阻型器件反向并聯(lián)構(gòu)成的雙向開關(guān)器件，也有采用4只二極管和1只開關(guān)器件組合而成的雙向開關(guān)，需要說明的是，這種方法構(gòu)成的雙向開關(guān)不能控制電流的方向，且通態(tài)損耗較大，但開關(guān)器件數(shù)量少，成本較低，所以在不需要控制電流方向的場合也有應(yīng)用。
幾種不同的全控型開關(guān)器件的構(gòu)成方法如圖3所示。
圖3 不同的全控型雙向開關(guān)器件構(gòu)成方法
隨著電力電子器件封裝技術(shù)的進步, 一些企業(yè)設(shè)計并制造出采用混合封裝技術(shù)的雙向開關(guān)器件, 甚至含有完整雙向開關(guān)電路的模塊。其中具有代表性的是eupec公司生產(chǎn)的economac模塊, 其電路結(jié)構(gòu)和實物照片如圖4(a)和(b)所示[2]。該模塊包含了3相輸入3相輸出ac-ac直接矩陣電路所需的全部9只雙向開關(guān), 并且在內(nèi)部連接成完整的電路。使用時只需要連接好輸入和輸出引線，施加正確的驅(qū)動信號即可。該模塊將矩陣電路向?qū)嵱没七M了一大步。
4 雙向晶閘管電路
雙向晶閘管構(gòu)成的電路主要可以分為交流調(diào)壓電路和晶閘管控制無功補償電路兩類，下面將分別介紹。
圖4 eupec公司生產(chǎn)的economac矩陣電路模塊
4.1 交流調(diào)壓電路
交流調(diào)壓是雙向晶閘管最廣泛的應(yīng)用。典型的單相交流調(diào)壓電路如圖5所示[3]。
圖5 單相交流調(diào)壓電路
圖5(b)所示的相控方式為交流調(diào)壓電路最典型的控制方式。除此之外，也有不少交流調(diào)壓電路采用通斷控制，這時雙向晶閘管的工作方式類似于電子開關(guān)，通幾個工頻周期，再斷幾個工頻周期，調(diào)整通斷比例即可調(diào)整負載上的電壓。
三相交流調(diào)壓電路的形式較多，幾種典型電路如圖6所示[3]。
雙向晶閘管構(gòu)成的交流調(diào)壓電路結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、成本低，因此廣泛用于電加熱設(shè)備調(diào)溫、舞臺燈具調(diào)光等領(lǐng)域，也廣泛用于交流電機軟啟動，通過降低電壓可以有效限制電機啟動過程中的電流，減少對電網(wǎng)的沖擊，使電機啟動過程更加平穩(wěn)。
但由于采用相控方式，輸入電流不是正弦波，含有大量的諧波成份;隨著移相角度的增加，輸入電流與電網(wǎng)電壓的滯后越來越大。這些因素造成該電路功率因數(shù)低，對電網(wǎng)污染較大。由于對電能質(zhì)量問題日益受到重視，交流調(diào)壓電路這一缺點顯得越來越突出。
圖6 幾種三相交流調(diào)壓電路
4.2 靜止無功補償電路
雙向晶閘管構(gòu)成的靜止無功補償電路如圖7所示。
圖7 靜止無功補償電路
圖7(a)為晶閘管控制電抗器(tcr)電路[4]，采用相控方式控制電抗器的電流，從而控制電路從電網(wǎng)吸取的感性無功電流。該電路通常配合固定電容器使用，利用固定電容器產(chǎn)生固定容量的容性無功電流，而用tcr來連續(xù)調(diào)節(jié)fc+tcr的總無功容量。該電路的缺點是tcr支路產(chǎn)生較大的諧波電流，對電網(wǎng)構(gòu)成污染。
圖7(b)為晶閘管投切電容器(tsc)電路[5]，在該電路中雙向晶閘管相當于電子開關(guān)，控制電容器的投入和切除，多組tsc可以實現(xiàn)容性無功功率的分級補償。為了消除電容器投入時對電網(wǎng)的污染，需要檢測電網(wǎng)電壓的相位，在電網(wǎng)電壓與電容器電壓相等時觸發(fā)雙向晶閘管。圖7(b)中與電容器串聯(lián)的小電感的作用是進一步減小電容器投入時的沖擊電流。
5 交流斬波電路
采用全控型雙向開關(guān)器件可以構(gòu)成如圖8所示的交流斬波電路，該電路可以代替雙向晶閘管交流調(diào)壓電路，用于電加熱設(shè)備調(diào)溫、舞臺燈具調(diào)光、感應(yīng)電機軟啟動等領(lǐng)域[6-8]。
圖8 交流斬波電路
與晶閘管調(diào)壓電路相比，采用全控器件的電路可以做到輸入和輸出電流為正弦波，消除了諧波電流對電網(wǎng)的污染。但全控型器件成本較高，能達到的功率等級也有限。
該電路工作時，s1和s2不能同時導(dǎo)通，以免造成電源短路，s1和s2也不能同時處于斷態(tài)，以免造成負載回路開路。負載回路中串聯(lián)有電感，如開路會產(chǎn)生高電壓擊穿開關(guān)器件。因此，s1和s2換流時需要根據(jù)當前時刻電感電流的方向，遵循一定的換流順序。
近年來, 該電路還被用于電力電子變壓器(power electronic transbbbber-pet)中。電力電子變壓器的輸入電壓高達10kv, 現(xiàn)有的電力電子器件都達不到這么高的電壓等級, 因此出現(xiàn)了多電平交流斬波電路[9-10]。典型的3電平交流斬波電路如圖9所示, 其開關(guān)狀態(tài)與電平如表2所示。
圖9 三電平交流斬波電路
多電平交流斬波電路中每個開關(guān)承受的電壓為輸入電壓的1/2，可以用較低電壓等級的器件完成高電壓的變換。而且輸出電壓的諧波含量只有同等輸入電壓兩電平交流斬波電路的1/2，利于濾波電路的設(shè)計。
除了三電平電路外，還有類似結(jié)構(gòu)的更多電平數(shù)的交流斬波電路，本文不再一一給出。
6 矩陣電路
矩陣電路是一類特殊的雙向開關(guān)電路，這類電路由直接連接在輸入端與輸出端之間的雙向開關(guān)矩陣構(gòu)成，可以實現(xiàn)ac-ac、ac-dc、dc-ac和dc-dc等各種變換。
矩陣電路可以分成幾種不同的電路結(jié)構(gòu)形式，如圖10所示。
圖10 矩陣電路的分類
直接矩陣電路是最基本的矩陣電路形式[11-14]，由1級雙向開關(guān)矩陣直接連接輸入和輸出端，直接完成輸入到輸出的電能變換。其中ac-ac為最常見的形式，其它電路如ac-dc和dc-ac電路，如果直流側(cè)電壓極性固定且總是高于交流側(cè)電壓，則矩陣電路中的雙向開關(guān)承受的斷態(tài)電壓極性也不變，可以用逆導(dǎo)型開關(guān)替換，電路就退化為普通電壓型pwm整流和逆變電路。在dc-dc電路中，如果輸入和輸出電壓極性不變，也可以采用逆導(dǎo)型開關(guān)來代替雙向開關(guān)，電路便退化成為dc-dc斬波電路。
間接矩陣電路一般包含二級電路[11]，其中部分電路為矩陣電路。兩級電路中間有母線連接，母線電壓可以是直流，稱為直流鏈電路;也可以是交流，而且通常是高頻交流，因此這類電路稱為高頻鏈電路。
本節(jié)將分別介紹這幾種電路。
6.1 直接矩陣電路
直接矩陣電路采用一級矩陣電路就直接完成從輸入側(cè)到負載側(cè)的變換，結(jié)構(gòu)簡單，是較為常見的矩陣電路形式。
圖11中給出了最為典型的三相ac-ac直接矩陣電路，負載為交流電動機[12]。與通用變頻器中所使用的 ac-dc-ac電路相比，該電路結(jié)構(gòu)緊湊，省去了體積較大、壽命較短的直流母線濾波電解電容，有利于變頻器的小型化和集成化，因此該電路備受關(guān)注，相關(guān)的研究最為廣泛，內(nèi)容涉及電路拓撲、換流方法和控制策略等。
圖11 用于變頻調(diào)速的三相ac-ac直接矩陣電路
與前面提到的交流斬波電路類似，矩陣電路中開關(guān)的通斷組合不允許形成電源側(cè)的短路，也不能造成負載回路的開路，因此需要遵循一定的換流順序，最常用的4步換流法[13]。
由于輸出電壓是由輸入電壓經(jīng)過雙向開關(guān)矩陣拼接而成的，因此輸出電壓的最大值受到輸入電壓的限制，一般來說直接矩陣電路的輸出電壓峰值總是低于輸入線電壓峰值的0.866倍。
矩陣電路的輸出電壓調(diào)制方法很多，常用的有空間電壓矢量法(svpwm)等[14]。
用于ac-dc變換的矩陣電路如圖12所示[15]。
圖12 ac-dc直接矩陣電路
該電路的特點是輸出電壓極性可以改變, 而且既可以工作于整流方式, 即能量由交流網(wǎng)側(cè)流向直流負載側(cè);也可以工作于有源逆變狀態(tài)，即能量由負載側(cè)流向交流網(wǎng)側(cè)。因此適用于需要能量雙向流動的應(yīng)用領(lǐng)域。
與ac-ac矩陣相似, 該矩陣式ac-dc電路的輸出電壓總是低于輸入線電壓峰值的0.866倍。而常用的3相pwm整流電路為升壓型電路, 其輸出電壓高于輸入線電壓峰值。因此對于要求輸出電壓較低的應(yīng)用, 矩陣式電路較為合適。
單相輸入的矩陣電路如圖13所示[16]。由于存在過零時刻，無法由單相電壓直接生成相位和頻率與輸入不同的輸出電壓，所以一般來說單相輸入矩陣電路無法直接產(chǎn)生變壓變頻的輸出電壓。但圖13所示的矩陣電路在普通的單相輸入矩陣電路中增加了3個開關(guān)和1個電感，使得該電路能夠輸出任意幅值和頻率的三相交流電能，實現(xiàn)了單相－三相直接變換。
圖13 單相輸入的直接矩陣電路
圖14 三電平直接矩陣電路
當需要用于較高電壓等級時，可以采用圖14所示的三電平矩陣電路，該電路中每個開關(guān)承受的電壓僅為輸入線電壓峰值的1/2，是普通矩陣的一半，而且輸出電壓的諧波含量也顯著降低[17,18]。
還有電平數(shù)更多的矩陣電路，這里就不再敘述了。
6.2 間接矩陣電路
圖15所示為典型的含有直流鏈的間接矩陣電路，該電路分為二級，前一級將三相工頻交流電變換為脈動直流電壓，后一級將脈動直流電壓變換為頻率和幅值可變的三相交流輸出電壓[11,19]。
圖15 間接矩陣電路
圖16所示為含有高頻交流鏈的矩陣電路[20]，該電路分為二級, 前一級矩陣電路將輸入三相工頻電壓變換為高頻交流電壓，經(jīng)過變壓器隔離和變壓后，后一級矩陣電路將高頻交流電壓變換為頻率和幅值可調(diào)的輸出交流電壓。
圖16 高頻交流鏈ac-ac矩陣電路
該電路中能量可以在輸入側(cè)與輸出側(cè)之間雙向流動，而且含有高頻變壓器，可以實現(xiàn)輸出與輸入間的隔離，能夠方便的改變電壓等級，是一種較為理想的電力電子變壓器的電路方案。
7 其它雙向開關(guān)電路
雙向開關(guān)在很多其他電路中也有應(yīng)用。本文就比較典型的兩類進行簡單介紹。
7.1 采用雙向開關(guān)的功率因數(shù)校正電路
圖17為一種采用雙向開關(guān)的功率因數(shù)校正電路[21]，在二極管整流電路的基礎(chǔ)之上增加了3個交流側(cè)電感和3個雙向開關(guān)，通過控制3個雙向開關(guān)就可以控制三相輸入電流，實現(xiàn)功率因數(shù)校正。該電路的特點是大部分能量通過二極管流向負載，雙向開關(guān)只處理較小的功率，有利于提高效率，降低成本。
7.2 采用雙向開關(guān)的軟開關(guān)電路
圖18為采用雙向開關(guān)的輔助諧振極軟開關(guān)電路[22]。該電路用于實現(xiàn)逆變電路開關(guān)元件的軟開關(guān)。
圖17 采用雙向開關(guān)的3相功率因數(shù)校正電路 
圖18 輔助諧振極電路
8 結(jié)束語
本文介紹了雙向開關(guān)電路的分類和雙向開關(guān)器件的簡單情況，然后介紹的幾種典型的雙向開關(guān)電路。從文中的介紹可以看出，由于雙向開關(guān)器件，特別是全控型雙向開關(guān)器件具有的雙向電壓阻斷、雙向電流完全可控的優(yōu)越性能，雙向開關(guān)電路不僅可以廣泛用于各種形式的電能變換和調(diào)節(jié)，而且在很多方面具有更好的性能和更多的功能，如交流斬波電路和直接矩陣電路無須中間直流環(huán)節(jié)就可以直接完成ac-ac變換;ac-dc直接矩陣電路的輸出電壓極性可以任意改變等。這是普通逆導(dǎo)型或逆阻型開關(guān)器件構(gòu)成的電路無法做到的。
由于雙向開關(guān)電路所具有的獨特性能, 在很多特殊應(yīng)用中備受關(guān)注，比如在設(shè)計集成馬達(integrated motors)時，需要將變頻器的體積盡量減小，以便裝入電動機的殼體或接線盒中。這一應(yīng)用中采用矩陣電路是非常合適的，因為矩陣電路中沒有直流母線電容，僅僅有開關(guān)元件。大容量的電容元件很難集成化和小型化，而目前封裝技術(shù)已經(jīng)可以將一個完整的雙向開關(guān)矩陣電路集成在一個模塊中。目前已經(jīng)研究出類似的實驗室樣品，即將進入實用化。
由此可見，隨著器件制造技術(shù)和封裝技術(shù)的發(fā)展，雙向開關(guān)器件的獲得將不再困難，雙向開關(guān)電路元件數(shù)多、成本較高的問題也將不再突出，而在性能方面的優(yōu)勢將會使雙向開關(guān)電路得到日益廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。
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作者簡介
楊 旭(1972-) 男 博士/教授 現(xiàn)于西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院任教，主要研究方向為電力電子集成、開關(guān)電源等。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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