變換器是指將信源發出的信息按照特定的目的進行轉換的設備。矩陣式變換器是一種新型的交-交電源變換器，相較于傳統變換器，它具有無需中間直流儲能環節、能進行四象限運行、具備良好的輸入電流波形和輸出電壓波形、并能自由控制功率因數的特點。矩陣式變換器已經成為電力電子技術領域的研究熱點，并擁有廣闊的應用前景。
歷史沿革
1976年，L.Gyugyi和B.R.Pelly首次提出矩陣式變換器的概念和電路拓撲形式。1979年，意大利學者M.Ventutini和A.Alesina證實了這種頻率變換器的存在，并對其進行了理論驗證，從而促成了矩陣式變換器的快速發展。他們在理論上證明了N相輸入、P相輸出的矩陣式逆變器的實現條件，并提出了一種電壓控制策略，盡管該策略解決了矩陣式變換器的諧波問題，但存在著輸出輸入電壓比小于0.5的顯著缺陷。到了20世紀80年代后期，隨著電力電子技術和計算機控制技術的進步，矩陣變換器的研究逐漸受到廣泛關注。許多學者從不同角度對矩陣變換器進行了深入研究，并提出了多種控制方案，使得矩陣變換器的研究進入了大規模發展的階段。
1989年，日本學者J.Oyama等人提出了一種最大最小輸入電壓調制技術，該技術認為輸出電壓最小的相始終與輸入電壓最小的相相連，其他兩相則利用脈寬調制技術對輸入電壓進行調制，確保輸出線電壓的最大值不超過最大輸入線電壓函數的最小值，即輸出線電壓始終保持在輸入線電壓的包絡線內。同一年，南斯拉夫社會主義聯邦共和國學者L.Huber和美國學者D.Borojevic提出了基于電壓空間向量調制技術的方法。該方法根據矩陣變換器的功率開關狀態，定義出輸入電流和輸出電壓的六邊形開關狀態矢量，并通過輸入矢量在任意時刻與其相鄰的兩開關矢量合成，得出每個采樣周期內的開關導通比。這項技術后來發展成為相對成熟的技術。Huber和D.Borojivic還提出了一種基于空間向量調制技術的PWM技術，實現了最大電壓傳輸比可達0.866，并通過實驗樣機帶動三相感應電機運行，證明了采用空間向量調制法的矩陣變換器與理論分析相符，具有輸入功率因數接近1、輸出電壓可調頻調幅等特點。A.Ishiguro和T.Furuhashi提出了輸入雙線電壓瞬時值法，其調制本質在于任何時候輸出電壓都是由兩個輸入線電壓合成而成。根據理論分析可知，當輸入電流不對稱或含有高次諧波時，控制函數會自動校正，而無需額外的計算量。這對于一些電網穩定性較差的情況特別適用。1992年，C.L.Neft和C.D.Schauder提出了一種適用于30馬力矩陣變換器的控制理論和實施方案，這是一種去除了直流中間環節的逆變器方法的改進版，將控制策略分為"整流"和"逆變"兩部分，三種開關被視為一種假想的電壓源逆變器。"整流"部分對于每組開關都有"正""負"兩套開關函數。
研究現狀
中國的交交矩陣變換器研究起步相對較晚，大約始于20世紀90年代初。南京航空航天大學、上海大學、哈爾濱工業大學、清華大學、湘潭大學等多個機構在不同資金的支持下，展開了相關研究，并取得了顯著進展。1994年，南京航空航天大學的莊心復教授對交交矩陣變換器的空間向量調制原理進行了仿真和實驗研究。1997至1998年間，穆新華在莊心復的指導下對交交矩陣變換器的雙電壓合成原理進行了仿真研究。1997年，上海大學基于空間矢量調制原理和80C196KC單片機開發了使用IGBT作為功率開關的交交矩陣變換器實驗裝置，其綜合指標已經達到國際先進水平。1998年，西安交通大學的王汝文教授等人對斬波調制和交交矩陣變換器的控制普遍性問題進行了研究，并提出了一種功率因數可調、輸入電流和輸出電壓均為正弦的調制函數。1999年，哈爾濱工業大學的陳學允、陳希有等專家構建了交交矩陣變換器的等效電路，獲得了輸入電流、功率因數、電壓增益、輸出阻抗等性能指標的解析表達式。同年，陳希有在其博士論文中對非對稱輸入條件下三相矩陣式變換器的諧波進行了研究。為解決坐標變法電壓傳輸比低的問題，引入了線-線換流法和改進的線-線換流法，減少了輸出諧波，并將電壓傳輸比提升至0.866。同時，他還對幾種不同類型調制策略在非對稱輸入下的諧波狀況進行了分析。上海大學的朱賢龍博士借助Saber軟件建立了一個基于空間向量調制策略的三相/三相矩陣式變換器的仿真模型，并提出了一種優化控制方法，簡化了調制過程，降低了開關損耗。在此基礎上，他提出了一種三相交交矩陣變換器的優化實現方案。在適度犧牲電流波形的基礎上，使功率因數可以達到或超過具有直流濾波電感的通用交直交變換器。之后，陳希有等人對雙電壓合成的交交矩陣變換器控制技術進行了兩項改進：一是實現了無功功率的正負調節；二是改善了在非對稱輸入電壓情況下的輸入電流波形。2000年，湘潭大學開始了交交矩陣變換器的研究，并取得了一定成績，建立了交交矩陣變換器的仿真模型，制作了實驗樣機。2004年，清華大學的孫凱等人對矩陣變換器在電源異常時的運行性能進行了分析，并制作了實驗樣機。他們的研究成果對交交矩陣變換器的分析與設計提供了重要的指導意義。
分類
變換器（Matrix Converter）作為一種新型的交-交變頻電源，其電路拓撲形式最初被提出，但在1979年意大利學者M.Venturini和A.Alesina提出了矩陣式變換器存在的理論及其控制策略后，其特性才引起了人們的關注和研究。普遍使用的半控功率器件是晶閘管。采用這種器件組成的矩陣式變換器，控制難度很高。矩陣式變換器的硬件特征包括大容量、高開關頻率、具有雙向阻斷能力和自關斷能力的功率器件，以及由于控制方案的復雜性，需要具有快速處理能力的微處理器作為控制單元。然而，這些需求在早期的半導體工藝和技術水平上很難實現。因此，在此期間，矩陣式變換器的研究主要集中在主回路拓撲結構和雙向開關的實現上，大多數研究仍停留在理論層面，較少涉及工業實踐。隨著高工作頻率、低控制功率的全控型功率器件如BJT、IGBT等的出現，矩陣式變換器的控制策略研究得以推進。
技術創新
研究人員發現，采用全控器件不僅能夠控制輸入相位偏移，還可以控制輸入電流波形。20世紀80年代末，矩陣式變換器應運而生。早期的實驗裝置由于工作頻率不高和換流技術不完善，輸出頻率較低，通常低于電網頻率，但已經超越了傳統交-交變換器的上限。隨著電力電子器件制造和應用技術的發展，矩陣式變換器的研制成為了熱點。構成雙向開關的單向開關間的多步換流控制技術得到了廣泛應用，裝置的性能有了顯著提升，最高輸出頻率達到了電網頻率的2~3倍，輸入側電流波形畸變率小于2%，可用于恒壓頻比、電流跟蹤及向量控制等領域，取得了初步成效。同時，得益于計算機軟硬件的飛速發展，在理論分析和實驗結合的基礎上，更多的研究者采用了仿真方法，以加深研究的深度和廣度，提高研究效率。其中，南斯拉夫社會主義聯邦共和國學者L.Huber和美國教授D.Bdrojecvic提出的基于空間矢量調制的控制技術尤為引人注目，并成功研制出了2kW實驗樣機。臺灣學者潘晴財基于電流滯環跟蹤和軟開關技術，提出了另一種實現方法。英國學者Watthanasarn等人基于DSP和IGBT硬件條件完成了2kW的實驗樣機。1997年，英國學者P.Wheeler和D.Grant提出了一種對構成雙向開關的單向開關間切換實現四步換流的低開關損耗和優化輸入濾波器的矩陣式變換器仿真研究，并研制出了5kW的實驗裝置。
應用領域
隨著電路電子技術的不斷發展，全球范圍內已經出現了實用化的矩陣式變換器產品。日本安川（Yaskawa）推出的矩陣式變換器型高壓馬達驅動裝置，其功率因數超過了0.95，效率高達約97%。該裝置主要面向鋼鐵加工生產線上大負荷下需要大量電力回饋的場景。此外，矩陣式變換器還可應用于造紙、薄膜生產線上的收卷機等長時間需要電力回饋的用途。鍋爐鼓風機等需要更高響應性能的用途也存在相應的市場需求。
控制策略
直接變換法
直接變換法是通過對輸入電壓的連續斬波來合成"輸出電壓"的方法，可分為坐標變換法、諧波注入法、等效電導法及標量法等多種類型。盡管這些方法各有優勢，但也存在一些問題，限制了它們的應用范圍。例如，標量法的輸入相電流波形良好，但輸出諧波較大。
電流跟蹤法
電流跟蹤法將三相輸出電流信號與實測的輸出電流信號進行比較，根據比較結果和當前的開關電源狀態決定開關的動作。這種方法易于理解和實施，響應速度快，魯棒性好，但也有滯環電流共同的缺點：開關頻率不穩定，諧波隨機分布，輸入電流波形不夠理想，存在較大的諧波。
間接變換法
空間向量調制技術，又稱間接變換法、交-直-交等效變換法，是一種基于空間矢量變換的方法。它將交-交變換虛擬為交-直和直-交變換，從而可以采用流行的高頻整流和高頻PWM波形合成技術，顯著提高了變換器的性能。具體實現時，整流和逆變是一步完成的，低次諧波得到了很好的抑制，但控制方案較為復雜，缺乏有效的動態理論分析支持。這是在矩陣式變換器中研究最多、最為成熟的一種控制策略，具有廣闊的發展前景。這種調制策略既可以控制輸出波形，也可以控制輸入電流波形，能夠改變輸入功率因數，是最具發展前景的一種調制策略。
參考資料 >
什么是變換器？不同種變換器微介紹.電子發燒友.2024-08-18
高壓電源技術革新：應用與前景.teslamanhv.com.2024-08-18
雙向全橋CLLC變換器的數字化混合控制策略 .上海電力大學學報.2024-08-18