变换器

变换器是指将信源发出的信息按照特定的目的进行转换的设备。矩阵式变换器是一种新型的交-交电源变换器，相较于传统变换器，它具有无需中间直流储能环节、能进行四象限运行、具备良好的输入电流波形和输出电压波形、并能自由控制功率因数的特点。矩阵式变换器已经成为电力电子技术领域的研究热点，并拥有广阔的应用前景。

历史沿革

1976年，L.Gyugyi和B.R.Pelly首次提出矩阵式变换器的概念和电路拓扑形式。1979年，意大利学者M.Ventutini和A.Alesina证实了这种频率变换器的存在，并对其进行了理论验证，从而促成了矩阵式变换器的快速发展。他们在理论上证明了N相输入、P相输出的矩阵式逆变器的实现条件，并提出了一种电压控制策略，尽管该策略解决了矩阵式变换器的谐波问题，但存在着输出输入电压比小于0.5的显著缺陷。到了20世纪80年代后期，随着电力电子技术和计算机控制技术的进步，矩阵变换器的研究逐渐受到广泛关注。许多学者从不同角度对矩阵变换器进行了深入研究，并提出了多种控制方案，使得矩阵变换器的研究进入了大规模发展的阶段。

1989年，日本学者J.Oyama等人提出了一种最大最小输入电压调制技术，该技术认为输出电压最小的相始终与输入电压最小的相相连，其他两相则利用脉宽调制技术对输入电压进行调制，确保输出线电压的最大值不超过最大输入线电压函数的最小值，即输出线电压始终保持在输入线电压的包络线内。同一年，南斯拉夫王国学者L.Huber和美国学者D.Borojevic提出了基于电压空间向量调制技术的方法。该方法根据矩阵变换器的功率开关状态，定义出输入电流和输出电压的六边形开关状态矢量，并通过输入矢量在任意时刻与其相邻的两开关矢量合成，得出每个采样周期内的开关导通比。这项技术后来发展成为相对成熟的技术。Huber和D.Borojivic还提出了一种基于空间向量调制技术的PWM技术，实现了最大电压传输比可达0.866，并通过实验样机带动三相感应电机运行，证明了采用空间向量调制法的矩阵变换器与理论分析相符，具有输入功率因数接近1、输出电压可调频调幅等特点。A.Ishiguro和T.Furuhashi提出了输入双线电压瞬时值法，其调制本质在于任何时候输出电压都是由两个输入线电压合成而成。根据理论分析可知，当输入电流不对称或含有高次谐波时，控制函数会自动校正，而无需额外的计算量。这对于一些电网稳定性较差的情况特别适用。1992年，C.L.Neft和C.D.Schauder提出了一种适用于30马力矩阵变换器的控制理论和实施方案，这是一种去除了直流中间环节的逆变器方法的改进版，将控制策略分为"整流"和"逆变"两部分，三种开关被视为一种假想的电压源逆变器。"整流"部分对于每组开关都有"正""负"两套开关函数。

研究现状

中原地区的交交矩阵变换器研究起步相对较晚，大约始于20世纪90年代初。南京航空航天大学、上海大学、哈尔滨工业大学、清华大学、湘潭大学等多个机构在不同资金的支持下，展开了相关研究，并取得了显著进展。1994年，南京航空航天大学的庄心复教授对交交矩阵变换器的空间向量调制原理进行了仿真和实验研究。1997至1998年间，穆新华在庄心复的指导下对交交矩阵变换器的双电压合成原理进行了仿真研究。1997年，上海大学基于空间矢量调制原理和80C196KC单片机开发了使用IGBT作为功率开关的交交矩阵变换器实验装置，其综合指标已经达到国际先进水平。1998年，西安交通大学的王汝文教授等人对斩波调制和交交矩阵变换器的控制普遍性问题进行了研究，并提出了一种功率因数可调、输入电流和输出电压均为正弦的调制函数。1999年，哈尔滨工业大学的陈学允、陈希有等专家构建了交交矩阵变换器的等效电路，获得了输入电流、功率因数、电压增益、输出阻抗等性能指标的解析表达式。同年，陈希有在其博士论文中对非对称输入条件下三相矩阵式变换器的谐波进行了研究。为解决坐标变法电压传输比低的问题，引入了线-线换流法和改进的线-线换流法，减少了输出谐波，并将电压传输比提升至0.866。同时，他还对几种不同类型调制策略在非对称输入下的谐波状况进行了分析。上海大学的朱贤龙博士借助Saber软件建立了一个基于空间向量调制策略的三相/三相矩阵式变换器的仿真模型，并提出了一种优化控制方法，简化了调制过程，降低了开关损耗。在此基础上，他提出了一种三相交交矩阵变换器的优化实现方案。在适度牺牲电流波形的基础上，使功率因数可以达到或超过具有直流滤波电感的通用交直交变换器。之后，陈希有等人对双电压合成的交交矩阵变换器控制技术进行了两项改进：一是实现了无功功率的正负调节；二是改善了在非对称输入电压情况下的输入电流波形。2000年，湘潭大学开始了交交矩阵变换器的研究，并取得了一定成绩，建立了交交矩阵变换器的仿真模型，制作了实验样机。2004年，清华大学的孙凯等人对矩阵变换器在电源异常时的运行性能进行了分析，并制作了实验样机。他们的研究成果对交交矩阵变换器的分析与设计提供了重要的指导意义。

分类

变换器（Matrix Converter）作为一种新型的交-交变频电源，其电路拓扑形式最初被提出，但在1979年意大利学者M.Venturini和A.Alesina提出了矩阵式变换器存在的理论及其控制策略后，其特性才引起了人们的关注和研究。普遍使用的半控功率器件是晶闸管。采用这种器件组成的矩阵式变换器，控制难度很高。矩阵式变换器的硬件特征包括大容量、高开关频率、具有双向阻断能力和自关断能力的功率器件，以及由于控制方案的复杂性，需要具有快速处理能力的微处理器作为控制单元。然而，这些需求在早期的半导体工艺和技术水平上很难实现。因此，在此期间，矩阵式变换器的研究主要集中在主回路拓扑结构和双向开关的实现上，大多数研究仍停留在理论层面，较少涉及工业实践。随着高工作频率、低控制功率的全控型功率器件如BJT、IGBT等的出现，矩阵式变换器的控制策略研究得以推进。

技术创新

研究人员发现，采用全控器件不仅能够控制输入相位偏移，还可以控制输入电流波形。20世纪80年代末，矩阵式变换器应运而生。早期的实验装置由于工作频率不高和换流技术不完善，输出频率较低，通常低于电网频率，但已经超越了传统交-交变换器的上限。随着电力电子器件制造和应用技术的发展，矩阵式变换器的研制成为了热点。构成双向开关的单向开关间的多步换流控制技术得到了广泛应用，装置的性能有了显著提升，最高输出频率达到了电网频率的2~3倍，输入侧电流波形畸变率小于2%，可用于恒压频比、电流跟踪及向量控制等领域，取得了初步成效。同时，得益于计算机软硬件的飞速发展，在理论分析和实验结合的基础上，更多的研究者采用了仿真方法，以加深研究的深度和广度，提高研究效率。其中，南斯拉夫社会主义联邦共和国学者L.Huber和美国教授D.Bdrojecvic提出的基于空间矢量调制的控制技术尤为引人注目，并成功研制出了2kW实验样机。台湾学者潘晴财基于电流滞环跟踪和软开关技术，提出了另一种实现方法。英国学者Watthanasarn等人基于DSP和IGBT硬件条件完成了2kW的实验样机。1997年，英国学者P.Wheeler和D.Grant提出了一种对构成双向开关的单向开关间切换实现四步换流的低开关损耗和优化输入滤波器的矩阵式变换器仿真研究，并研制出了5kW的实验装置。

应用领域

随着电路电子技术的不断发展，全球范围内已经出现了实用化的矩阵式变换器产品。日本安川（Yaskawa）推出的矩阵式变换器型高压马达驱动装置，其功率因数超过了0.95，效率高达约97%。该装置主要面向钢铁加工生产线上大负荷下需要大量电力回馈的场景。此外，矩阵式变换器还可应用于造纸、薄膜生产线上的收卷机等长时间需要电力回馈的用途。锅炉鼓风机等需要更高响应性能的用途也存在相应的市场需求。

控制策略

直接变换法

直接变换法是通过对输入电压的连续斩波来合成"输出电压"的方法，可分为坐标变换法、谐波注入法、等效电导法及标量法等多种类型。尽管这些方法各有优势，但也存在一些问题，限制了它们的应用范围。例如，标量法的输入相电流波形良好，但输出谐波较大。

电流跟踪法

电流跟踪法将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的开关电源状态决定开关的动作。这种方法易于理解和实施，响应速度快，鲁棒性好，但也有滞环电流共同的缺点：开关频率不稳定，谐波随机分布，输入电流波形不够理想，存在较大的谐波。

间接变换法

空间向量调制技术，又称间接变换法、交-直-交等效变换法，是一种基于空间矢量变换的方法。它将交-交变换虚拟为交-直和直-交变换，从而可以采用流行的高频整流和高频PWM波形合成技术，显著提高了变换器的性能。具体实现时，整流和逆变是一步完成的，低次谐波得到了很好的抑制，但控制方案较为复杂，缺乏有效的动态理论分析支持。这是在矩阵式变换器中研究最多、最为成熟的一种控制策略，具有广阔的发展前景。这种调制策略既可以控制输出波形，也可以控制输入电流波形，能够改变输入功率因数，是最具发展前景的一种调制策略。

参考资料

什么是变换器？不同种变换器微介绍.电子发烧友.2024-08-18

高压电源技术革新：应用与前景.teslamanhv.com.2024-08-18

双向全桥CLLC变换器的数字化混合控制策略 .上海电力大学学报.2024-08-18