間接矩陣變換器的研究

潘海龍，黃 勇，楊軍明，張 微

（國網江西省電力公司宜春供電分公司，宜春 336000）

矩陣變換器（MC）是一種先進拓撲結構的功率變換器，具有拓撲結構簡單、無中間儲能環節、對電網諧波污染小、輸入電流和輸出電壓正弦、輸入功率因數可以為1并且可調節、輸出電壓幅值和頻率可調、能量可以雙向流動等優良特性。間接矩陣變換器（IMC）不僅具有這些優點，而且由于克服了常規矩陣變換器（CMC）控制策略復雜、開關數量多等缺點，使其成為目前頗具發展潛力的一種新型矩陣變換器。IMC的關鍵技術主要包括主回路拓撲結構、安全換流技術等。許多文獻對IMC的關鍵技術進行研究［1－4］：文獻［1-2］介紹了雙級矩陣變換器（TSMC）、稀疏矩陣變換器（SMC）、12開關矩陣變換器（VSMC）以及超稀疏矩陣變換器（USMC）等拓撲結構；文獻［3］介紹了零電流換流技術；文獻［4］介紹了四步換流、兩步換流以及智能換流技術。

本文首先概括各種IMC的拓撲結構及基本工作原理，對IMC現有的換流方法等關鍵技術進行總結，并分析各種方法的優缺點。根據對各種方法優缺點的分析，將現有文獻中的換流方法分為四步換流、兩步換流、智能換流以及零電流換流等主要種類。最后根據這些關鍵技術的分類與優缺點，為IMC的進一步研究提供參考方向。

1 主回路拓撲結構

為了簡化IMC的結構，減少開關器件的數量，降低裝置的功率損耗和控制難度，研究人員近年來提出了一些新型的電路拓撲。對現有IMC的分類如圖1所示。

圖1 間接矩陣變換器分類圖

1.1 雙級矩陣變換器（TSMC）

TSMC也稱為間接矩陣變換器（IMC），其拓撲結構如圖2所示，包括由雙向開關組成的脈寬調制（PWM）整流器和由單向開關組成的PWM逆變器。

這種結構雖然所用的電力電子器件數量與普通矩陣式變換器相同，但其拓撲結構存在一個可調制的直流環節，且省去了直流電容和電感，其調制策略和換流方法與普通三相－三相矩陣式變換器相比更為簡單，但輸入和輸出性能與普通三相—三相矩陣式變換器相比無明顯差別。

圖2 TSMC拓撲結構

1.2 稀疏矩陣變換器（SMC）

文獻［2］推導出了SMC的拓撲結構，如圖3所示。雖然由15個單向開關構成的SMC與由18個單向開關構成的TSMC在電路性能上相同，但在直流電流為正的情況下，顯然由15個單向開關構成的電路傳導損耗要大于18開關TSMC電路。

圖3 SMC拓撲結構

1.3 12開關的稀疏矩陣變換器（VSMC）

文獻［2］還介紹了一種12開關的稀疏式矩陣變換器，也稱為VSMC，拓撲結構如圖4所示。

圖4 VSMC拓撲結構

VSMC的拓撲結構與TSMC類似，包括由雙向開關組成的PWM整流器和單向開關組成的PWM逆變器。不同的是，在VSMC中的PWM整流器中，每個雙向開關采用的是二極管橋式結構，包括1個IGBT與4個功率二極管。VSMC的工作原理與運行性能與TSMC基本相同，也為普通三相－三相矩陣式變換器的一種衍生拓撲電路。

1.4 超稀疏矩陣變換器（USMC）

USMC是TSMC的一種衍生拓撲結構［2］。USMC為9開關矩陣變換器，拓撲結構如圖5所示。與TSMC相比，逆變側電路基本相同，而整流側電路中將可關斷器件的數量由12個減小為3個。雖然數量降到了最小值，但是仍可以保證較高的輸入輸出波形質量。USMC的能量單相流通，而且輸入輸出的電壓電流的最大功率因數角被限制在±π／6。

圖5 USMC拓撲結構

1.5 其他新型矩陣變換器拓撲結構

除此之外，文獻［4］提出了采用逆阻式IGBT的矩陣式變換器；文獻［1］提出了間接三電平矩陣變換器（Indirect Three-level MC）、全橋矩陣變換器（Full-Bridge MC）、混合矩陣變換器（Hybrid MC）等。不同拓撲結構開關數量表如表1所示。

表1 不同拓撲結構開關數量表

這些拓撲結構的基本原理一致，并且在換流技術、調制策略等關鍵技術上具有相似性。因此，歸類的關鍵技術均適用于這些拓撲結構。

2 換流技術

2.1 四步換流策略

由于IMC電路中沒有電流的自然續流通路，使得開關器件之間的換流比傳統的交－直－交型PWM變頻器要復雜得多，并且IMC的換流控制必須嚴格遵守輸入側電路不能短路，輸出側電路不能開路的原則［4］。

根據換流步驟所依據的信息，矩陣變換器的四步換流策略分為基于輸出電流方向檢測的換流策略和基于換流電壓檢測兩種。

2.1.1 基于換流電壓檢測的四步換流策略

以SMC的兩橋臂為例，分析兩種四步換流步驟，如圖6所示。

圖6 四步換流步驟圖

該換流策略檢測換流電壓，并且以此作為四步換流的依據。假設某時刻負載電流流經雙向開關（Spa，Sa），并將要從（Spa，Sa）換流到（Spb，Sb），且此時檢測uab＞0。在換流開始前，Spa和Sa均被提供導通驅動電壓，Spb和Sb均被提供關斷電壓。具體的換流步驟如下（以uab＞0為例）：①開通Sb；②關斷Sa；③開通Spb；④關斷Spa，至此完成換流。具體換流時序如圖6（b）所示。

2.1.2 基于輸出電流方向檢測的四步換流策略

若采用基于輸出電流方向檢測的四步換流策略，ipn＞0時換流步驟為：①關斷Spa；②開通Sb；③關斷Sa；④開通Spb。具體換流時序如圖6（c）。

這種換流適用范圍廣，不僅適用于IMC，也適用于CMC。但缺點是算法復雜，不易于實現。

2.2 零電流換流

直流零電流換流是IMC的一個特點。當輸入側開關換流時，先使逆變部分工作在零矢量狀態，直流電流為零，從而減少了開關損耗。在IMC空間矢量調制過程中，分別在逆變側合理地插入零矢量，即可實現輸入側零電流換流。故IMC零電流換流可應用于多電機驅動的變頻調速系統。

USMC的零電流換流過程如圖7所示。在圖7（a）中，整流測Sa，Sc開通，整流級輸出的直流電壓upn＝uac，直流電流ipn＝－iC；圖7（b）中，逆變級輸出零電壓矢量V7，其三相輸出全部接到直流的p極，ipn為零，流經整流電路的電流也為零。此時，對整流級的開關管進行切換，關斷Sc，開通Sb。圖7（c）中為換流后的狀態，直流電壓由uac變成uab，由此即完成了USMC的零電流換流。

圖7 USMC零電流換流過程

零電流換流法與四步換流法相比，簡單可靠、可以減小矩陣變換器的開關損耗，并且易于實現。

2.3 其他換流策略

文獻［4］中指出基于電流方向檢測的四步換流過程中只有第二、三步對負載電流的實際切換起作用，因此將另外兩步省去，即得到了兩步換流方法。通過檢測開關器件兩端電壓的方法獲取輸出電流方向信息，并據此提出了采用可編程邏輯器件的智能換流策略。

3 結語

本文首先介紹了不同＝間接矩陣變換器拓撲結構的工作原理，并對應用到間接矩陣變換器的換流方法等關鍵技術進行了原理介紹，總結了這些關鍵技術的優缺點。依據分析結果，可以從分析影響輸出波形質量的參數、改進優化間接矩陣變換器的換流技術、完善各種工況下的輸出性能等方面對間接矩陣變換器進行深入研究。

［1］JOHANN W Kolar，THOMAS Friedli，JOSE Rodriguez.Review of Three-Phase PWM AC-AC Converter Topologies［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58（11）：4988-5007.

［2］ WEI Li-xiang，LIPO T A，Ho Chan.Matrix Converter Topologies With Reduced Number of Switches［C］.33rd Annual Conference on IEEE Power Electronics Specialists，Wisconsin，USA，2002，57-64.

［3］J Sch6nberger，T Friedli，J W Kolar.An Ultra Sparse Matrix Converter with a Novel Active Clamp Circuit［C］.Power Conversion Conference，Nagoya，USA，2007，784-791.

［4］ 孫 凱，周大寧，梅 楊.矩陣式變換器技術及其應用［M］.北京：機械工業出版社，2007.