矩阵变换器研究综述
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。
单级矩阵变换器的理论和控制技术得到了飞速的发展，但仍然停留在实验阶段，而不能在工业中推广应用，原因在于: l 其控制策略复杂，计算量大;
l 四步换流法增加了控制的难度, 降低了系统的可靠性; l 开关数量多，系统成本过高[3,4]。
2.2 双级矩阵变换器
双级矩阵变换器的结构同传统的交-直-交变换器相似(见图2), 包含交-直(整流)和直-交(逆变)两级变换电路。
图2 双级矩阵变换器
所不同的是:
l 双级矩阵变换器的两级变换协调同步，直流侧不需要滤波元件;
l 整流电路采用由两个单向开关(如igbt)组成的双向开关，是一个三相输入两相输出的3/2相变换;
l 在其输出的直流电压极性保持为正的情况下，逆变电路为一个标准的电压源逆变器，可采用单向开关。
双级矩阵变换器克服了传统矩阵变换器的缺点，此外还具有以下优点:
l 控制容易，电网侧的单桥可实现零电流开关，负载侧开关控制类似于传统的dc/ac逆变器; l 不同负载，开关数目可以减少;
l 箝位电路大大简化。双级矩阵变换器一般由18个单向开关组成，在一些只需要能量单向传输的场合，可采用15个单向开关、12个单向开关或者9个单向开关的拓扑电路结构，从而降低了系统成本[5]。
矩阵变换器研究综述汇总
