矩阵变换器的研究现状分析

矩阵变换器的研究现状分析1引言随着电力电子技术的迅速发展，交-直-交电压型变频调速装置已经广泛地应用于交流调速系统中，且结构愈来愈紧凑。

但由于装置中应用了二极管桥式整流器，所以输入电流波形失真度大、功率因数低。

随着电网负载中电力电子设备的增加，畸变电流对电网品质的污染已成为不可忽视的问题，因此研究新型的既有优良控制性能和优良输入电流品质而又成本低、结构紧凑可靠的变换器已成为当前的发展趋势。

交-交型矩阵式变换器可以克服上述缺点，它是一种单级电源变换器，除了应用一个体积不大的交流滤波器外不需贮能环节。

它与交-直-交型变换器相比具有如下优点:（1）控制自由度大，输出电压可调，输出频率不受输入频率的限制；（2）输入功率因数可调，可以滞后、超前或为1不受负载限制；（3）输入电流正弦，对电网无谐波污染；（4）能量可以双向流动，尤其适合于电机四象限运行；（5）无任何中间直流环节，结构紧凑，体积小，效率高，易于实现集成化和模块化，特别适合实现电机与变频器一体化。

由于矩阵变换器包含开关较多，数学模型复杂，使得调制方法和换流控制都很繁琐，导致了稳定性和可靠性仍不够理想；因此提出了新型的电路拓扑—多电平矩阵变换器和双级矩阵变换器。

多电平矩阵变换器可以用电压等级较低的器件完成高压电能的变换，使得电力电子技术可以应用在高压、大功率的场合，且突破了电压传输比小于或等于0.866的限制，既可以降压也可以实现升压；可实现多电平操作，进一步改善了输出电压波形；开关损耗小。

双级矩阵变换器不仅能够实现交-交矩阵变换器的所有功能，并且具有功率开关器件相对较少、箝位电路大大简化、换流简单可靠、控制算法的复杂性降低等优点。

但这两种新型变换器研究的时间不长，自身还有许多问题要解决，不如单级矩阵变换器成熟。

交-交型矩阵变换器经过近30年的发展，基本趋于成熟，近年来有以下的一些应用。

如矩阵式变换器驱动的交流电动机调速系统已被应用于电梯、起重机、风力发电等需要能量双向流通的场合。

另外，还应用于一些安装空间有限、对变频装置体积和重量要求很严格的场合，如铁道机车、电动车辆、飞机等独立电源系统中。

可以预料，矩阵变换器将有广阔的发展前景。

三相-三相矩阵变换器的拓扑结构如图1所示。

图1三相-三相矩阵变换器的简化拓扑2控制策略由于矩阵变换器包含开关较多，数学模型复杂，控制繁琐，因此在其实际应用中，采用适当的调制策略，加以实现，保证系统稳定可靠地运行，是至关重要的一个环节。

目前普通矩阵变换器的控制策略主要有：直接变换法：即通过对输入电压的连续斩波合成输出电压。

它可以分为坐标变换法、谐波注入法、等效电导法和标量法；滞环电流跟踪法[1]：将理想三相输出电流信号与实测的输出电流信号进行比较，根据比较结果和当前电源状态决定开关动作；间接变换法：也称为等效交-直-交变换法，它是基于空间矢量变换将矩阵变换器等效为没有中间直流环节的双PWM变换器，然后采用双空间矢量法进行调制。

这种方法计算简单，易于实现，可以大大减小对于控制电路的要求，不需要在输出相电压中引入低频谱波，可使电压利用率达到0.866[2]，实现输入电流相位差的任意控制。

但它不是直接利用瞬时电压电流量计算各开关的占空比，而是通过引入矢量的概念来实现输出电压和输入电流的控制，因此该方法在三相输入电压源不平衡情况下的控制效果会略为逊色。

为了保证系统在电网电压非正常工况下正常运行，设计了专门的补偿控制策略，主要包括直接传递函数法[3]、间接空间矢量调制法[4]以及双电压控制法[5][6]:（1）基于双电压控制法的输入电压不平衡补偿双电压控制法不仅能够实现正常工况下对输入/输出波形的调制，而且适用于输入电压不平衡情况下对输入电流的补偿控制，是一种行之有效的矩阵变换器调制策略，当输入电压不平衡时，把输入电压空间矢量分解为正序和负序两个平衡的电压矢量，通过输入不平衡的电流来保证输入功率的恒定，该方法可以减少电流中的谐波畸变。

（2）基于间接空间矢量调制法的前馈补偿控制当输入侧电网电压处于不平衡、瞬时跌落等非正常工况时，矩阵变换器的“虚拟直流电压”也随之变化，不再保持为恒定值，因而造成输出电压的畸变，此方法是通过调节空间矢量脉宽调制系数来对“虚拟直流电压”加以补偿，使矩阵变换器的输出电压保持为正常值。

为了得到真实而准确的“虚拟直流电压”值作为补偿控制的依据，需要实时检测矩阵式变换器三相输入电压。

（3）基于间接空间矢量调制法的输入电流调制当输入电压不平衡时，输入相电压空间矢量变成了一个幅值脉动、变角速度的空间矢量。

由于输入电压不平衡会导致输入电流中产生大量的低次谐波，为了抑制输入电压不平衡对输入电流谐波的影响，需要对输入相电流空间矢量的方向即调制矢量进行调节。

一旦选定调制矢量，就可以对输入相电流空间矢量进行调节。

在多电平逆变器出现后，PWM算法的研究就从二电平延伸到多电平领域，并应用到多电平矩阵变换器，目前人们主要研究三相输入-三相输出三电平矩阵变换器，其拓扑结构如图2所示。

图2三电平矩阵电路拓扑结构及开关单元目前，在三电平矩阵变换器的PWM算法中研究较多有变频SHE-PWM[7]调制。

为了更好的避免输出LC滤波器的谐振问题，三电平矩阵变换器的脉冲宽度调制(PWM)控制采用了变频的特定谐波消除PWM(SHE-PWM)方法。

SHE-PWM根据事先计算好的开关角度，控制各功率器件的开关时间，使输出电压达到所期望的输出电压波形。

开关角度的计算是基于在控制电压基波分量的同时能够消除某些特定次数的谐波。

双级矩阵变换器的拓扑结构，控制方式，类似于双PWM AC-DC-AC变频器，分为两级控制，其整流端采用PWM控制，逆变端采用SVPWM控制，调制策略比传统矩阵变换器简单。

整流级PWM调制的目的是在保持中间直流上正下负的同时，保证输入端单位功率因数整流。

整流器的空间矢量调制策略将每个PWM调制周期分成两段，通过改变这两段的开关组合及其对应的占空比来达到调制目的。

图3是双级矩阵变换器的一种典型拓扑结构。

图3双级矩阵变换器的拓扑结构双级矩阵变换器在非正常工况下的控制方法就是将输入电压的不对称性和畸变等非正常因素视为输入扰动，并将输入扰动表示为相对于输入电压正序基波分量的线性偏离。

参考输入基波正序电压和扰动分量来表示输入电压，接着对基于空间矢量调制法的整流调制矢量进行改进，提出了抗扰分量，通过在整流调制矢量中引入抗扰分量来提高双级矩阵变换器的输出波形质量。

以上所有这些调制策略各有其优缺点，因此对调制的动态过程缺少理论分析方法和工具，使矩阵变换器走向产品化缺少完善而深入的理论支持。

3开关结构矩阵变换器的核心器件为双向开关，且要求有双向导通和关断的能力，但是，目前市场上尚未出现能够直接实现上述功能的电力电子开关器件。

因此，一般由IGBT功率二极管等分立器件组成[8]。

这种双向开关共有三种构成方式：二极管桥式、共集电极式和共射极式，另外可采用新型器件逆阻式IGBT反并联构成双向开关，如图4所示。

图4矩阵变换器双向开关构成目前，一种新型电力电子器件—逆阻式IGBT（RB-IGBT）被越来越多地应用到各种电力变换器中，其中矩阵式变换器是最主要的一个方向[9][10]，逆阻式IGBT的出现解决了普通IGBT 不能反向截止的问题，使得双向开关可以简化为简单的反并联结构，省去了两个快恢复二极管，且由RB-IGBT组成的双向开关总功率损耗小于由普通IGBT构成的双向开关，因此，采用逆阻式IGBT作为开关器件是矩阵变换器未来发展的方向。

从图4的拓扑结构可以看出，通过四象限开关的导通与关断，矩阵变换器三相交流输入中的任意一相可以连接至三相交流输出中的任意一相。

因此，在控制上具有极大的灵活性，且无需大容量的中间储能元件等。

双级矩阵变换器是一种间接型矩阵式变换器，是从普通矩阵式变换器基础上发展起来的，它的双向开关和普通矩阵式变换器一样，也是由IGBT功率二极管等分立器件组成，只是它的开关器件的数量有所减少，由图3可知，双级矩阵变换器采用了交-直-交型的双级变换结构，整流级电路由6个双向开关组成，而逆变级电路与传统的三相全桥逆变器结构相同。

4换流技术换流控制方法是矩阵变换器的关键技术之一，矩阵变换器应用于工程实践的关键问题就是要能够安全换流。

目前普通矩阵式变换器的换流技术主要有四步换流法、两步换流法等[11]。

（1）四步换流法[12][13]如图3所示。

以A相换流到B相说明：当负载电流i L>0时，先关断VS1的负导通部分VS1b；再开通VS2的正导通部分VS2a；第三步关断VS1的正导通部分VS1a；最后开通VS2的负导通部分VS2b，其换流波形见图5。

当负载电流i L<0时，换流步骤为：先关断VS1的正导通部分VS1a；再开通VS2的负导通部分VS2b；第三步关断VS1的负导通部分VS1b；最后开通VS2的正导通部分VS2a。

可见，四步换流既禁止了可能使电源发生短路的开关组合，又保证了在任意时刻给负载提供至少一条流通路径，从而实现了安全换流。

图5四步换流信号波形（2）两步换流法为了提高矩阵式变换器波形质量和电压利用率，研究了一系列减少换流步骤和缩短换流过程时间的方法[14]即两步换流法：由于基于电流方向检测的四步换流过程中只有第二、三步对负载电流实际切换起作用，因此将另外两步省去，就得到了两步换流法，这种换流法的前提是必须获得准确的输出电流方向，以避免出现感性负载电流的断路故障。

同时在输出电流过零点两侧必须设置死区，如果输出电流在死区内则不能进行换流，因此这种方法在双向开关导通时只能流过单向电流，显然和四步换流相比可靠性不高。

多电平矩阵电路和普通矩阵电路一样，都可采用输入双电压瞬时值控制技术，但与普通矩阵的传统方法有所不同。

当两组不同开关状态切换时，两相输入电压不能短路，单相输出回路不能断路，即多电平矩阵电路同样存在着换流问题。

普通矩阵电路采用四步换流法来完成换流过程，而多电平矩阵电路亦可采用与之类似的换流策略。

双级矩阵变换器的一个最大优点就是在整流级实现了零电流换流，避免了复杂的四步换流策略，换流简单可靠，易实现。

（3）换流的具体方法●逆变级开关的换流直接采用常规直-交逆变器成熟可靠的换流方法；●整流级双向开关的换流。

当逆变器输出零电压矢量时，其三相输出全部接到直流同一极（p极或n极），此时直流电流为零，流经整流级电路的电流也为零，而整流级双向开关的换流发生在相邻两个时间段的转变时刻，把逆变级的零电压矢量分配在各时间段的开始和结尾，就可以实现零电流换流。

在整流级开关切换的前后8μs内，在逆变级插入一个零开关状态，以实现零电流换流。

为防止短路，整流级和逆变级都插入4μs死区。

为了进一步提高装置的输入输出性能，改善电磁兼容特性，减小功率损耗，提高系统的效率和可靠性，需要将整流级、逆变级和电动机负载综合考虑，对调制策略和换流方式进行深入的分析和改进。