1 引言
隨著電力電子技術的迅速發展，交-交變頻器在傳動系統中已經得到了廣泛的應用，但也存在一些固有的缺陷，因此研究新型的既有優良控制性能和輸入電流品質而又成本低、結構緊湊、性能可靠的交-交變頻器已成為當前的發展趨勢。
矩陣式變換器是一種直接交-交變頻器，與傳統的自然換流變頻器相比，具有以下優點:
l 無中間直流環節，結構緊湊，體積小，效率高，便于實現模塊化;
l 無需較大的濾波電容，動態響應快;
l 能夠實現能量雙向流動, 便于電動機實現四象限運行;
l 控制自由度大,輸出電壓幅值和頻率范圍連續可調;
l 輸入功率因數可控，帶任何負載時都能使功率因數為1.0;
l 輸出電壓和輸入電流的低次諧波含量較小;
l 實現功率集成后能夠改善變換器內部的電磁兼容性，其輸出的pwm電壓和輸入功率因數可調的特點能夠改善電動機、變換器與電源之間的電磁兼容性[1]。
矩陣變換器的原理在80年代被提出，由于具有性能優良的潛在優勢，越來越引起人們的重視，有逐步取代交-直-交變頻器、周波變流器的趨勢[2]。特別是它具有本身不產生諧波污染的同時,能夠對電網進行無功補償的能力，其總體性能高于其它變換器。在日益關注可持續發展問題，大力推行電力環保、綠色電源的今天，研究與開發矩陣式變換器特別具有現實意義。
矩陣變換器的關鍵技術主要包括:主回路的拓撲結構和工作原理、安全換流技術、調制策略和保護電路設計等，下面就這些關鍵技術的研究進行一一介紹。
2 主回路拓撲結構和工作原理
矩陣變換器的名稱來源于它的矩陣狀拓撲結構。一個m相輸入、n相輸出的矩陣變換器，由m×n個雙向開關組成，它們排列成矩陣形狀，分單級和雙級兩種。
圖1 單級矩陣變換器拓樸結構
2.1 單級矩陣變換器
常規的矩陣變換器是一種單級交-交變換器(見圖1)，其結構簡單，可控性強，但存在以下缺陷:
l 最大電壓增益為0.866，并且與控制算法無關;
l 主電路的9個雙向開關存在控制和保護問題，應采用安全換流技術;
l 必須采用復雜的pwm控制和保護策略，同時要求復雜的箝位保護電路。
單級矩陣變換器的理論和控制技術得到了飛速的發展，但仍然停留在實驗階段，而不能在工業中推廣應用，原因在于:
l 其控制策略復雜，計算量大;
l 四步換流法增加了控制的難度, 降低了系統的可靠性;
l 開關數量多，系統成本過高[3,4]。
2.2 雙級矩陣變換器
雙級矩陣變換器的結構同傳統的交-直-交變換器相似(見圖2), 包含交-直(整流)和直-交(逆變)兩級變換電路。
圖2 雙級矩陣變換器
所不同的是:
l 雙級矩陣變換器的兩級變換協調同步，直流側不需要濾波元件;
l 整流電路采用由兩個單向開關(如igbt)組成的雙向開關，是一個三相輸入兩相輸出的3/2相變換;
l 在其輸出的直流電壓極性保持為正的情況下，逆變電路為一個標準的電壓源逆變器，可采用單向開關。
雙級矩陣變換器克服了傳統矩陣變換器的缺點，此外還具有以下優點:
l 控制容易，電網側的單橋可實現零電流開關，負載側開關控制類似于傳統的dc/ac逆變器;
l 不同負載，開關數目可以減少;
l 箝位電路大大簡化。雙級矩陣變換器一般由18個單向開關組成，在一些只需要能量單向傳輸的場合，可采用15個單向開關、12個單向開關或者9個單向開關的拓撲電路結構，從而降低了系統成本[5]。
2.3 雙向開關及開關頻率
矩陣變換器所用雙向開關有多種形式，如開關內嵌式、開關反并聯式等。常用的有兩個igbt和兩個二極管反并聯組成共發射極電路(ce開關模式)和共集電極電路(cc開關模式)。最終使矩陣變換器能夠成為產品的是由標準雙向開關單元構成的集成功率模塊。
主電路的雙向開關的頻率并不是越高越好，在諧波注入法中，開關頻率為2khz時，變換器的性能和電機直接與電網相連時最為相似。在實際應用中，受開關器件、控制器和外圍電路處理速度的限制，調制頻率不可能無限制地加高，根據具體調制方法和電路特點優選開關頻率是至關重要的[6]。
3 安全換流技術
換流是指將負載電流從一個雙向開關管換到另一個雙向開關管。在調制過程中，矩陣式變換器開關管通斷狀態不斷改變，換流始終存在，因此安全換流是矩陣式變換器控制策略中一項至關重要的問題。為實現雙向開關之間安全切換或抑制換流不安全所帶來的危害，除了在輸出側增加整流式阻容箝位電路限制過壓、在輸入端增加一組共鐵心的線圈對磁通進行調整外，還需要探索新的安全換流方法。
換流方法主要有死區換流、交疊換流、輔助諧振換流、兩步換流和四步換流等[7-8]。
3.1 死區換流
死區換流，即插入死區延時法。它要求輸入側開關觸發之前，輸出側開關關斷。這種方法控制簡單，但不能工作在電流連續的情況下，且開關損耗大，電壓利用率較低，另外緩沖網絡比較復雜，故很少使用。
3.2 交疊換流
交疊換流要求輸出側開關關斷之前，輸入側開關觸發。這種方法必然帶來輸入相間瞬時短路，需要額外的輸入電感限流。由于電感體積大，價格昂貴，故很少使用。
3.3 輔助諧振換流策略
(1) 臺灣學者潘晴財教授提出的基于電流滯環調制的諧振式軟開關換流策略,僅限于電流滯環調制的矩陣式變換器。
(2) ching-tai pan提出一種低損耗的雙向可控開關，能夠實現開關的零電流開通，零電壓關斷，可以實現近于零損耗的換流。如果采用滯環電流pwm調制方法，可無附加緩沖電路。但是當負載電流大、開關關斷速度快、電感量較大以及二極管快速性不夠時，電感將產生瞬時高電壓降，此時應采用箝位電路。
(3) cho, jung g與steffen bernet提出了輔助諧振換流方案。利用雜散電感作為換流電感，輸出電容作為換流電容。在輔助諧振下，主開關只有容性換流，通過增加換流電容可以做到關斷瞬間零電壓，實現零電壓切換。輔助開關只有感性換流，通過增加換流電感可以做到零電流開通，能夠完成零電流切換。這種換流策略能夠安全、高效地高頻切換，但功率開關與諧振電感會流過較大的電流，而且零電壓、零電流的檢測困難。
(4) steffen bernet又提出一種基于輔助諧振換流的矩陣式整流器，可以用于工業直流傳動。
以上換流策略均不安全或不實用，安全的換流策略一般需要事先了解某些電量信息，如輸入電壓和/或輸出電流。常用的有兩步換流和四步換流等。
3.4 兩步換流策略
(1) svensson. t提出兩步換流策略，在應該導通的開關單元中，只觸發正確的單向開關，而另一單向開關則關閉。在輸入相間換流時，根據實際負載電流方向，在欲導通的開關單元中只觸發應該導通的單向開關，而另一單向開關保持關閉，然后關閉上一導通的開關單元中導通的單向開關。兩步換流方法要求準確地檢測負載電流方向，在實際中不可避免地存在誤差;當電流變號時，兩個開關之間不能進行換流。對于大功率變換器，電流閾值過大，將影響輸出電流波形。
(2) l. empringham提出了改進型兩步換流方案。通過檢測正在導通的開關單元中每個單向開關的管壓降，可以確定電流方向，而且將該信息作為其他開關單元門極驅動的一個條件。為避免負載電流變向時換流引起的短通狀態，可采取如下解決辦法:當電流過零時，增加換流死時，其間不再觸發任何開關。由于延時很短，負載電流失真程度不大。
3.5 四步換流策略
目前比較普遍采用的是n. burany提出的四步換流策略。四步換流策略屬于半軟開關換流策略，被認為是最有前途的方法。每次換流可以實現一次零電流零電壓關斷和一次零電流開通，但由于換流時間過長，且每次換流依賴于負載電流的方向，換流過程中不許有負載電流方向的改變，不免有一些局限性，如負載很輕或負載剛啟動時，待機狀態以及啟動瞬間，負載過零點時電流方向很難準確判定，這些可能會造成換流停滯。
為此, 有學者提出用pld/cpld技術的解決換流問題, 用可編程邏輯器件實現四步換流, 在輸出頻率為10hz~60hz的范圍內，以交流電機作負載進行了相關實驗。該換流策略簡化了控制系統，提高了控制系統的可靠性[9-10]。
4 調制策略
矩陣變換器有多種控制方法。根據控制目標不同，可分為電流控制法和電壓控制法兩大類。
4.1電壓控制法
電壓控制法以矩陣變換器輸出電壓(通常要求為正弦量，但也可為其他波)為控制目標。根據變換器合成輸出電壓時有無中間環節又可分為間接控制法和直接控制法。
(1) 間接控制法是基于空間矢量變換的一種方法, 主要指空間矢量調制法(svm)，它將變換器虛擬為一個整流器和一個逆變器經中間直流環節串聯，然后對輸入整流器和輸出逆變器分別進行電壓空間矢量和電流空間矢量調制(svpwm)，再消去中間直流環節，就可以得到整個變換器的空間矢量調制。這一控制方法的物理意義明確，簡單易懂，目前已有專用的svpwm集成芯片商品化產品。更重要的是，對于采用矢量控制的電機調速應用場合，可將電機調速系統的矢量控制和變換器的矢量控制合為一體[11]。
(2) 矢量調制法也可直接實現。直接控制法的基本思想是:不同開關連接狀態對應著不同的空間矢量。當進行空間矢量合成時，選取適當的矢量后，可以直接按一個統一的公式計算出各個矢量的開關組合占空比。兩者的結果完全相同，但直接實現更適合于計算機控制。
直接控制法可以分為坐標變換法、諧波注入法、等效電導法及標量法，所有這些方法雖各有一定的優越性，但也存在一定問題，因此，限制了它們的應用范圍和深度[12]。
矢量調制法的缺點是抗干擾性差，實際應用中由于電網輸入的不對稱給變換器的輸出電壓的輸入電流帶來難以濾除的低次諧波。通常的解決方法有負序分量注入法和變系數法。但這需增加額外計算量和軟件的復雜度，且電壓傳輸比有所降低，這樣便可采用目前流行的高頻整流和高頻pwm波形合成技術，變換器的性能可得到較大的改善。
4.2 電流控制法
電流控制法以輸出電壓為控制目標。一般要求電流為對稱正弦量，因此變換器輸出電流要跟蹤給定電流呈正弦變化。它有兩種基本實現方法:滯環電流控制法和預測電流控制法[13]。
(1) 滯環電流跟蹤法是將三相輸出電流信號與實測的輸出電流信號相比較，根據比較結果和當前的開關電源狀態決定開關動作，它具有容易理解、實現簡單、響應快、魯棒性好等優點，但開關頻率不夠穩定，諧波隨機分布，且輸入電流波形不夠理想，存在較大的諧波等。
(2) 預測電流控制法的基本思想是:利用變換器下一開關周期的期望電流值和當前的實際電流值可以計算出符合電流變化的變換器輸出電壓矢量，然后在變換器的虛擬逆變器中運用空間矢量法合成這一輸出電壓矢量，就可以達到跟蹤輸出電流的目的，但復雜性和計算量將有所增加。
電流控制法具有開關函數求解簡便，控制簡單，對控制器硬件要求較低，輸出電流波形諧波分量小，抗干擾性能好、動態響應快、能限流、魯棒性好等優點;但開關頻率不夠穩定，輸出電壓諧波分量大，輸入濾波器難以設計，且輸入電流波形不夠理想，存在較大的諧波等;主要應用于高性能電機驅動場合。如果將輸入端虛擬整流器采用輸入電流空間矢量調制，可改變輸入電流諧波情況，同時輸出電流的跟蹤性能不變。
4.3 其他新型調制策略
(1) 非平衡輸入時矩陣變換器的調制策略
矩陣變換器沒有中間直流環節，其輸出電壓對輸入的干擾非常敏感。由于實際輸入電壓總有一些不平衡和失真，常規調制策略會造成輸入電流的諧波和輸出電壓的低次諧波。因此，深入研究非平衡輸入時矩陣變換器的調制策略是矩陣變換器實用化和工業化的關鍵技術之一。
在非平衡輸入時，電源電壓存在負序分量，導致輸入電壓矢量角速率和大小的變化，因此必須對輸入電壓或電流采樣，并進行閉環調制。目前實現的方法有兩種:
l 通過采用空間矢量時變調制比的方法，消除不對稱輸入電壓的影響，從而獲得對稱正弦輸出電壓或輸入電流對矩陣式變換器中雙向開關的邏輯控制。
l 在輸入非平衡、輸出平衡矩陣變換器中采用輸入電流偏置角動態調制策略。該策略比輸入電流偏置角恒定調制策略更能有效抑制輸入電流高次諧波[14-16]。
(2) 降低開關損耗的優化調制策略
矩陣變換器的損耗主要時硬件的損耗, 尤其是開關損耗,因此減少器件的開關次數是降低開關損耗的主要手段。
l 在任何情況下，采用標準的雙向調制(輸出電壓和輸入電流同時調制)矢量順序，依靠參考電流矢量合理選擇零矢量，平均開關周期中的開關轉換9次; 如果采用最小開關轉換的矢量順序組合策略[17]，平均開關周期中的開關轉換8次開關損耗同樣減少1/9。
l 常規的空間矢量調制法通常采用兩個瞬時值最大的線電壓合成輸出電壓。如果利用兩個瞬時值最小的線電壓來合成空間矢量，在輸出頻率低于輸入頻率1/2的情況下，與常規方法相比，矩陣變換器的損耗減小了15%~25%，而且在整個線性范圍內，波形質量有所改善。
(3) 多邊形磁通調制法
多邊形磁鏈調制法由丹麥學者christian klumpner提出，是一種基于間接調制模型的新型調制方法。在采樣期間，只用到逆變階段的一個有效矢量和一個零矢量，使得定子磁鏈誤差達到最小; 而在整流階段，按照輸入電流參考矢量角誤差最小的原則，只選單個電流矢量。該方法由于磁鏈按多邊形投影，而多邊形非常接近于圓，因而使得電機漏磁減到最少。其主要優點有:
l 可以準確估計輸入電流;
l 直接控制輸入電流矢量角;
l 減少開關次數，提高脈沖分辨率;
l 提高輸入端開關頻率。
5 保護電路
由于矩陣變換器沒有直流環節的儲能，對輸入電壓的任何干擾，都會立即影響到輸出電壓，所以需要設置合適的保護，常見的有元件保護、主回路保護、控制電路保護。
5.1 元件保護
元件的保護包括:
l 每個元件都有反并聯的快速恢復二極管，在元件關斷時形成方向電流，以釋放電感負載中的電能;
l 采用四步換流保證雙向開關的順利轉換，實現半軟開關換流;
l 采用與元件配套的驅動電路, 實現元件的過流保護等。
5.2 主電路保護
主電路保護包括:
(1) 輸入濾波器:通常為lc串聯結構, 主要用來防止電源接通時的過電壓和電壓下降引起的干擾，改善輸入電流波形，濾除高頻成分。
(2) 箝位電路:造成矩陣變換器過壓問題的原因主要有矩陣變換器換流不安全、電網過壓、系統關閉瞬間與系統突然掉電等，這些將損壞功率器件，為此需要增加箝位電路。通常采用在矩陣變換器前后增加整流式阻容緩沖電路或壓敏電阻緩沖電路，也可以采用二極管緩沖電路(有為針對共發射極與橋式型雙向可控開關兩種方案)。
另外，a.shuster提出一種通過控制續流狀態使電動機電流逐漸減低至零而無需電壓箝位的緩沖方案。
5.3 控制電路保護
一個完整的矩陣變換器的控制系統應該根據工藝要求設置一些常規的保護，如系統的過流保護、過壓保護等。除此以外，在控制回路中還可以增加一些閉鎖和聯鎖回路，如控制系統上電時，要求所有的開關器件都處于關斷狀態，防止兩個雙向開關都連至同一輸出相或同一輸入相。
6 矩陣變換器的研究熱點及應用前景
6.1 研究熱點
目前矩陣變換器的研究熱點主要在兩個方面:
l 在理論研究方面，繼續探討電壓傳輸比的提高和新型調制策略，還可以結合智能控制的有關理論，如模糊控制、神經網絡控制、自適應控制、模糊神經網絡控制等進行研究;
l 在實際應用研究方面是將其實用化和工業化，例如可靠換流實現及保護、雙向開關的實現與封裝以及輸入濾波器的設計等。
(1) 間接變換方式提高電壓傳輸比
根據理論分析，采用空間矢量調制方法，且當輸入功率因數為1時，電壓傳輸比最大可達0.866，實際的系統也證實了這一點，這給工業應用帶來問題。因此提高電壓傳輸比是人們追求的主要目標[18]。
p. d ziogas 提出一種間接pwm控制方法，采用虛擬整流器與逆變器均采用6脈沖工作，矩陣變換器的電壓傳輸比可達1.05。如果虛擬整流器采用二極管不可控整流方式，電壓傳輸比可達0.95。
e. p wiehmanndne 提出的直接頻率變換器的兩種預測空間矢量控制策略，利用輸出電流反饋來確定變換器的下一個最佳狀態，可以使矩陣變換器的電壓傳輸比達0.99。
jie chang等人設計出3合1集成雙向功率模塊(ibpm)，可使電壓傳輸比達0.955。
另外，可以設計專門的配套電機，采用直接轉矩控制的矩陣變換器-電動機傳動系統。這種電壓電機傳動方案，在目前情況下也是解決矩陣變換器低電壓傳輸比的有效方案。
在某些應用場合，需要提供一種非標準的電壓，如礦井提升機專用低頻電源:主電機額定電壓為10000v，低頻運行時(3～5hz)所需的電壓為750～1200v，則可根據矩陣變換器的電壓傳輸比來確定輸入電源的電壓。在這里，低電壓傳輸比就不是問題了。
(2) 集成功率模塊的出現
由于分立功率器件組成的雙向可控開關設計的分散性比較大，故出現了集成或模塊化矩陣變換器的趨勢。jie chang等人設計出額定電壓1200v/150a的3合1集成雙向功率模塊，已經應用到矩陣變換器的硬件設計中。eupec公司已經設計了基于共發射極的完全矩陣變換器功率電路economac，可以商業化。模塊化的矩陣變換器可以減少換流路徑的雜散電感，提高矩陣變換器的緊湊性，必將促進矩陣變換器的發展。
(3) 輸入濾波器的設計
為了吸收矩陣變換器輸入電流中的開關頻率諧波，可以采用單級和多級lc濾波器。但是許多研究顯示，無源器件的容量比較大，與最初設想的不一致。但是lc濾波器在瞬態操作中產生的過壓，可以采取在電感前接入阻尼電阻或將阻尼電阻與濾波電感并聯的方法解決。因此說矩陣變換器是由“純硅”組成的變換器，它的輸入濾波器的設計必須得到優化。
6.2 應用前景
矩陣變換器是一種通用的電力變換器型式，由它的拓撲結構與開關函數可以引申出多種變換器型式和控制算法，可以應用于許多現有變換器中，如vsi、csi、單相boost pfc、可控整流器等多種基本的變換器中，開關函數算法甚至可以成為一種很重要的控制算法，具有很強的工程價值，有利于電力變換的整體發展[19-20]。矩陣式變換器的應用范圍可歸納為:
(1) 應用于轉速較低的傳動系統中:矩陣變換器的電壓傳輸比受到一定限制，在輸出頻率較高時會出現輸出電壓不足的現象，不太適合調速范圍較高的場合;但免去了更換電解電容的麻煩，在低頻大功率變頻調速系統中可以長時間可靠工作。
(2) 作為電源產品:與目前的電源產品相比，矩陣變換器有一定優越性，如功率因數高、無中間儲能環節、結構緊湊壽命長，在這方面，矩陣式變換器的研究有良好的市場前景。
(3) 用于高壓大功率變換:在需要高壓的場合，可以將矩陣式變換器串聯使用，達到高壓大功率輸出的目的。
(4) 用于功率因數校正:由于矩陣式變換器的輸入功率因數可以任意調節，其調制策略和實現技術在某些場合可以用于校正電路的功率因數。由于它具有柔性變換能力，可以作為一種通用的電力變換器來實現電力變壓器的某些性能，作為無功補償器來提高電網利用率。
7 結束語
經過20多年的研究和開發工作，人們對矩陣式變換器的研究越來越透徹，獲得了大量的理論成果和實驗結果，并已經成功地應用到電力傳動領域。隨著矩陣式變換器控制算法的日益成熟，安全換流策略的日益成功，輸入濾波器設計與過壓保護措施的日趨完善，矩陣式變換器產品化的步伐也越來越快。可以預見，作為一種環保變換器，矩陣變換器將在變換器世界掀起一場綠色變換器應用風暴。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
