矩阵交-交变频器(MC)简介

    如前所述，矩阵变频器是在双向全控开关与PWM电压控制相结合的强迫换相变频器(FCC)的基础发展起来的，它为双侧PWM电压源整流-逆变提供了一个好的选择方案，具有单级( single-stage)变换器的优点：三相输入、三相输出的变换只需9个开关，具有能量双向流动的功能，输入输出是以调制频率为频率的正弦波，由于不存在直流环节的有源元件，因而可进行紧凑设计，输入功率因数可控且与输出负载电流无关。矩阵变换器的主要缺点是：电压变换率在0. 866，需要更复杂的控制和保护策略，尤其是集成在一个硅片上的可控双向高频开关尚未实用化（双向晶闸管虽然是双向的但不是全控的）。

    实际三相矩阵变换器的功率电路如图5-12 (a)所示，它使用9个双向开关，9个开关的布置如图5-12 (b)所示，这种布置使得三个输入的任意一相都能和三相输出的任意一相相连，因此任意输入端的电压可能输出至任意输出端，或负载任意相的电流可由任意输入相或输入电源的任意相提供。对于开关，到目前为止可采用反向阻断自关断( self-controlled)元件，如功率MOSFET、IGBT或如图所示的二极管桥嵌入晶体管等反并联组合，此电路称为矩阵变换器，是因为对于输入输出间的任意连接都可提供一个确切的开关，开关以这样的方式控制，即三个开关只有一个开关与输出相相连接，必须防止电源相间短路或中断感性负载电流，对于这些限制条件，可以从变换器的512种状态中看出，只有27种开关组合（包含输出线电压和输入相电流值），可分为三组：Ⅰ组由6个开关组合构成，使每个输出相与不同的输入相相连；第Ⅱ组中，有三个分组，每个分组有6个开并组合，其中有两个输出相短路（与同一输入相相连）；第Ⅲ组包含了所有输出相都短路的三个开关组合。

    对于一组给定的三相输入电压，通过采用合适的开关控制策略，可合成所需的任意一组三相输出电压，然而，不管采用什么样的开关控制策略，利用这些变换器组合可获得的输出电压仍存在实际的限制，因为输出电压的最大峰值不能大于输入电源两相间的最小电压差，为了对组合的输出电压实现完全的控制，三相参考电压和目标电压的包络线必须完全包含在三相输入电压的包络线内，如图5-13 (a)所示。最初的开关策略使输出电压限制在输入电压的0.5倍以内，这可通过处理提高到0. 866，即在所有目标输出电压中加入三次输入频率谐波电压(Ui/4) cos3ωit和从中减去如图5-13 (b)所示的三次输出频率的谐波电压(Uo/6) cos3ωot，然而在合成输出电压的过程中，增加了相当大的计算量，另外的选择是使用PWM逆变器所采用的空间矢量调制策略( SVM)，无需加入三次谐波分量，仍可以产生最大的电压变换率0. 866。

    图5-13    交-交三相矩阵变换器的输出电压的限制

   (a)基本变换器的输入电压；(b)包含三次输入频率谐波和三次

    输出频率谐波的可获得的目标电压

    交流输入LC滤波器用于消除变换器产生的开关脉动，且假设负载的电感量足以维持输出电流的连续。