1、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
2、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
3、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 mn 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
4、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
5、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 。 2.3 双向开关及开关频率矩阵变换器所用双向开关有多种形式，如开关内嵌式、开关反并联式等。常用的有两个 igbt 和两个二极管反并联组成共发射极电路(ce 开关模式)和共集电极电路(cc 开关模式)。
6、最终使矩阵变换器能够成为产品的是由标准双向开关单元构成的集成功率模块。主电路的双向开关的频率并不是越高越好，在谐波注入法中，开关频率为 2khz 时，变换器的性能和电机直接与电网相连时最为相似。在实际应用中，受开关器件、控制器和外围电路处理速度的限制，调制频率不可能无限制地加高，根据具体调制方法和电路特点优选开关频率是至关重要的6 。3 安全换流技术换流是指将负载电流从一个双向开关管换到另一个双向开关管。在调制过程中，矩阵式变换器开关管通断状态不断改变，换流始终存在，因此安全换流是矩阵式变换器控制策略中一项至关重要的问题。为实现双向开关之间安全切换或抑制换流不安全所带来的危害，除了在输出侧增加
7、整流式阻容箝位电路限制过压、在输入端增加一组共铁心的线圈对磁通进行调整外，还需要探索新的安全换流方法。换流方法主要有死区换流、交叠换流、辅助谐振换流、两步换流和四步换流等7-8。3.1 死区换流死区换流，即插入死区延时法。它要求输入侧开关触发之前，输出侧开关关断。这种方法控制简单，但不能工作在电流连续的情况下，且开关损耗大，电压利用率较低，另外缓冲网络比较复杂，故很少使用。3.2 交叠换流交叠换流要求输出侧开关关断之前，输入侧开关触发。这种方法必然带来输入相间瞬时短路，需要额外的输入电感限流。由于电感体积大，价格昂贵，故很少使用。3.3 辅助谐振换流策略(1) 台湾学者潘晴财教授提出的基于电流
8、滞环调制的谐振式软开关换流策略,仅限于电流滞环调制的矩阵式变换器。(2) ching-tai pan 提出一种低损耗的双向可控开关，能够实现开关的零电流开通，零电压关断，可以实现近于零损耗的换流。如果采用滞环电流 pwm 调制方法，可无附加缓冲电路。但是当负载电流大、开关关断速度快、电感量较大以及二极管快速性不够时，电感将产生瞬时高电压降，此时应采用箝位电路。(3) cho, jung g 与 steffen bernet 提出了辅助谐振换流方案。利用杂散电感作为换流电感，输出电容作为换流电容。在辅助谐振下，主开关只有容性换流，通过增加换流电容可以做到关断瞬间零电压，实现零电压切换。辅助开关只
9、有感性换流，通过增加换流电感可以做到零电流开通，能够完成零电流切换。这种换流策略能够安全、高效地高频切换，但功率开关与谐振电感会流过较大的电流，而且零电压、零电流的检测困难。(4) steffen bernet 又提出一种基于辅助谐振换流的矩阵式整流器，可以用于工业直流传动。以上换流策略均不安全或不实用，安全的换流策略一般需要事先了解某些电量信息，如输入电压和/或输出电流。常用的有两步换流和四步换流等。3.4 两步换流策略(1) svensson. t 提出两步换流策略，在应该导通的开关单元中，只触发正确的单向开关，而另一单向开关则关闭。在输入相间换流时，根据实际负载电流方向，在欲导通的开关单
10、元中只触发应该导通的单向开关，而另一单向开关保持关闭，然后关闭上一导通的开关单元中导通的单向开关。两步换流方法要求准确地检测负载电流方向，在实际中不可避免地存在误差;当电流变号时，两个开关之间不能进行换流。对于大功率变换器，电流阈值过大，将影响输出电流波形。(2) l. empringham 提出了改进型两步换流方案。通过检测正在导通的开关单元中每个单向开关的管压降，可以确定电流方向，而且将该信息作为其他开关单元门极驱动的一个条件。为避免负载电流变向时换流引起的短通状态，可采取如下解决办法:当电流过零时，增加换流死时，其间不再触发任何开关。由于延时很短，负载电流失真程度不大。3.5 四步换流策
11、略目前比较普遍采用的是 n. burany 提出的四步换流策略。四步换流策略属于半软开关换流策略，被认为是最有前途的方法。每次换流可以实现一次零电流零电压关断和一次零电流开通，但由于换流时间过长，且每次换流依赖于负载电流的方向，换流过程中不许有负载电流方向的改变，不免有一些局限性，如负载很轻或负载刚启动时，待机状态以及启动瞬间，负载过零点时电流方向很难准确判定，这些可能会造成换流停滞。为此, 有学者提出用 pld/cpld 技术的解决换流问题, 用可编程逻辑器件实现四步换流, 在输出频率为 10hz60hz 的范围内，以交流电机作负载进行了相关实验。该换流策略简化了控制系统，提高了控制系统的可
12、靠性9-10。4 调制策略矩阵变换器有多种控制方法。根据控制目标不同，可分为电流控制法和电压控制法两大类。 4.1 电压控制法电压控制法以矩阵变换器输出电压(通常要求为正弦量，但也可为其他波) 为控制目标。根据变换器合成输出电压时有无中间环节又可分为间接控制法和直接控制法。(1) 间接控制法是基于空间矢量变换的一种方法 , 主要指空间矢量调制法(svm)，它将变换器虚拟为一个整流器和一个逆变器经中间直流环节串联，然后对输入整流器和输出逆变器分别进行电压空间矢量和电流空间矢量调制(svpwm)，再消去中间直流环节，就可以得到整个变换器的空间矢量调制。这一控制方法的物理意义明确，简单易懂，目前已有
13、专用的svpwm 集成芯片商品化产品。更重要的是，对于采用矢量控制的电机调速应用场合，可将电机调速系统的矢量控制和变换器的矢量控制合为一体11。(2) 矢量调制法也可直接实现。直接控制法的基本思想是:不同开关连接状态对应着不同的空间矢量。当进行空间矢量合成时，选取适当的矢量后，可以直接按一个统一的公式计算出各个矢量的开关组合占空比。两者的结果完全相同，但直接实现更适合于计算机控制。直接控制法可以分为坐标变换法、谐波注入法、等效电导法及标量法，所有这些方法虽各有一定的优越性，但也存在一定问题，因此，限制了它们的应用范围和深度12。 矢量调制法的缺点是抗干扰性差，实际应用中由于电网输入的不对称给变
14、换器的输出电压的输入电流带来难以滤除的低次谐波。通常的解决方法有负序分量注入法和变系数法。但这需增加额外计算量和软件的复杂度，且电压传输比有所降低，这样便可采用目前流行的高频整流和高频 pwm 波形合成技术，变换器的性能可得到较大的改善。4.2 电流控制法电流控制法以输出电压为控制目标。一般要求电流为对称正弦量，因此变换器输出电流要跟踪给定电流呈正弦变化。它有两种基本实现方法:滞环电流控制法和预测电流控制法13。(1) 滞环电流跟踪法是将三相输出电流信号与实测的输出电流信号相比较，根据比较结果和当前的开关电源状态决定开关动作，它具有容易理解、实现简单、响应快、鲁棒性好等优点，但开关频率不够稳定
15、，谐波随机分布，且输入电流波形不够理想，存在较大的谐波等。 (2) 预测电流控制法的基本思想是 :利用变换器下一开关周期的期望电流值和当前的实际电流值可以计算出符合电流变化的变换器输出电压矢量，然后在变换器的虚拟逆变器中运用空间矢量法合成这一输出电压矢量，就可以达到跟踪输出电流的目的，但复杂性和计算量将有所增加。电流控制法具有开关函数求解简便，控制简单，对控制器硬件要求较低，输出电流波形谐波分量小，抗干扰性能好、动态响应快、能限流、鲁棒性好等优点;但开关频率不够稳定，输出电压谐波分量大，输入滤波器难以设计，且输入电流波形不够理想，存在较大的谐波等;主要应用于高性能电机驱动场合。如果将输入端虚拟
16、整流器采用输入电流空间矢量调制，可改变输入电流谐波情况，同时输出电流的跟踪性能不变。4.3 其他新型调制策略(1) 非平衡输入时矩阵变换器的调制策略矩阵变换器没有中间直流环节，其输出电压对输入的干扰非常敏感。由于实际输入电压总有一些不平衡和失真，常规调制策略会造成输入电流的谐波和输出电压的低次谐波。因此，深入研究非平衡输入时矩阵变换器的调制策略是矩阵变换器实用化和工业化的关键技术之一。在非平衡输入时，电源电压存在负序分量，导致输入电压矢量角速率和大小的变化，因此必须对输入电压或电流采样，并进行闭环调制。目前实现的方法有两种:l 通过采用空间矢量时变调制比的方法，消除不对称输入电压的影响，从而获
17、得对称正弦输出电压或输入电流对矩阵式变换器中双向开关的逻辑控制。l 在输入非平衡、输出平衡矩阵变换器中采用输入电流偏置角动态调制策略。该策略比输入电流偏置角恒定调制策略更能有效抑制输入电流高次谐波14-16。(2) 降低开关损耗的优化调制策略矩阵变换器的损耗主要时硬件的损耗, 尤其是开关损耗, 因此减少器件的开关次数是降低开关损耗的主要手段。l 在任何情况下，采用标准的双向调制 (输出电压和输入电流同时调制 )矢量顺序，依靠参考电流矢量合理选择零矢量，平均开关周期中的开关转换 9 次; 如果采用最小开关转换的矢量顺序组合策略17，平均开关周期中的开关转换 8 次开关损耗同样减少 1/9。l 常
18、规的空间矢量调制法通常采用两个瞬时值最大的线电压合成输出电压。如果利用两个瞬时值最小的线电压来合成空间矢量，在输出频率低于输入频率 1/2 的情况下，与常规方法相比，矩阵变换器的损耗减小了 15%25%，而且在整个线性范围内，波形质量有所改善。(3) 多边形磁通调制法多边形磁链调制法由丹麦学者 christian klumpner 提出，是一种基于间接调制模型的新型调制方法。在采样期间，只用到逆变阶段的一个有效矢量和一个零矢量，使得定子磁链误差达到最小; 而在整流阶段，按照输入电流参考矢量角误差最小的原则，只选单个电流矢量。该方法由于磁链按多边形投影，而多边形非常接近于圆，因而使得电机漏磁减到
19、最少。其主要优点有: l 可以准确估计输入电流; l 直接控制输入电流矢量角; l 减少开关次数，提高脉冲分辨率 ; l 提高输入端开关频率。5 保护电路由于矩阵变换器没有直流环节的储能，对输入电压的任何干扰，都会立即影响到输出电压，所以需要设置合适的保护，常见的有元件保护、主回路保护、控制电路保护。5.1 元件保护元件的保护包括:l 每个元件都有反并联的快速恢复二极管，在元件关断时形成方向电流，以释放电感负载中的电能;l 采用四步换流保证双向开关的顺利转换，实现半软开关换流;l 采用与元件配套的驱动电路 , 实现元件的过流保护等。5.2 主电路保护主电路保护包括:(1) 输入滤波器:通常为
20、lc 串联结构 , 主要用来防止电源接通时的过电压和电压下降引起的干扰，改善输入电流波形，滤除高频成分。(2) 箝位电路:造成矩阵变换器过压问题的原因主要有矩阵变换器换流不安全、电网过压、系统关闭瞬间与系统突然掉电等，这些将损坏功率器件，为此需要增加箝位电路。通常采用在矩阵变换器前后增加整流式阻容缓冲电路或压敏电阻缓冲电路，也可以采用二极管缓冲电路(有为针对共发射极与桥式型双向可控开关两种方案) 。另外，a.shuster 提出一种通过控制续流状态使电动机电流逐渐减低至零而无需电压箝位的缓冲方案。5.3 控制电路保护一个完整的矩阵变换器的控制系统应该根据工艺要求设置一些常规的保护，如系统的过流
21、保护、过压保护等。除此以外，在控制回路中还可以增加一些闭锁和联锁回路，如控制系统上电时，要求所有的开关器件都处于关断状态，防止两个双向开关都连至同一输出相或同一输入相。6 矩阵变换器的研究热点及应用前景6.1 研究热点目前矩阵变换器的研究热点主要在两个方面:l 在理论研究方面，继续探讨电压传输比的提高和新型调制策略，还可以结合智能控制的有关理论，如模糊控制、神经网络控制、自适应控制、模糊神经网络控制等进行研究;l 在实际应用研究方面是将其实用化和工业化，例如可靠换流实现及保护、双向开关的实现与封装以及输入滤波器的设计等。 (1) 间接变换方式提高电压传输比 根据理论分析，采用空间矢量调制方法，
22、且当输入功率因数为 1 时，电压传输比最大可达0.866，实际的系统也证实了这一点，这给工业应用带来问题。因此提高电压传输比是人们追求的主要目标18。p. d ziogas 提出一种间接 pwm 控制方法，采用虚拟整流器与逆变器均采用 6 脉冲工作，矩阵变换器的电压传输比可达 1.05。如果虚拟整流器采用二极管不可控整流方式，电压传输比可达 0.95。e. p wiehmanndne 提出的直接频率变换器的两种预测空间矢量控制策略，利用输出电流反馈来确定变换器的下一个最佳状态，可以使矩阵变换器的电压传输比达 0.99。jie chang 等人设计出 3 合 1 集成双向功率模块(ibpm)，可
23、使电压传输比达 0.955。另外，可以设计专门的配套电机，采用直接转矩控制的矩阵变换器-电动机传动系统。这种电压电机传动方案，在目前情况下也是解决矩阵变换器低电压传输比的有效方案。在某些应用场合，需要提供一种非标准的电压，如矿井提升机专用低频电源:主电机额定电压为 10000v，低频运行时(35hz) 所需的电压为 7501200v，则可根据矩阵变换器的电压传输比来确定输入电源的电压。在这里，低电压传输比就不是问题了。 (2) 集成功率模块的出现 由于分立功率器件组成的双向可控开关设计的分散性比较大，故出现了集成或模块化矩阵变换器的趋势。jie chang 等人设计出额定电压 1200v/15
24、0a 的 3 合 1 集成双向功率模块，已经应用到矩阵变换器的硬件设计中。eupec 公司已经设计了基于共发射极的完全矩阵变换器功率电路 economac，可以商业化。模块化的矩阵变换器可以减少换流路径的杂散电感，提高矩阵变换器的紧凑性，必将促进矩阵变换器的发展。 (3) 输入滤波器的设计 为了吸收矩阵变换器输入电流中的开关频率谐波，可以采用单级和多级 lc 滤波器。但是许多研究显示，无源器件的容量比较大，与最初设想的不一致。但是 lc 滤波器在瞬态操作中产生的过压，可以采取在电感前接入阻尼电阻或将阻尼电阻与滤波电感并联的方法解决。因此说矩阵变换器是由“纯硅 ”组成的变换器，它的输入滤波器的设
25、计必须得到优化。 6.2 应用前景矩阵变换器是一种通用的电力变换器型式，由它的拓扑结构与开关函数可以引申出多种变换器型式和控制算法，可以应用于许多现有变换器中，如 vsi、csi 、单相 boost pfc、可控整流器等多种基本的变换器中，开关函数算法甚至可以成为一种很重要的控制算法，具有很强的工程价值，有利于电力变换的整体发展19-20。矩阵式变换器的应用范围可归纳为: (1) 应用于转速较低的传动系统中 :矩阵变换器的电压传输比受到一定限制，在输出频率较高时会出现输出电压不足的现象，不太适合调速范围较高的场合;但免去了更换电解电容的麻烦，在低频大功率变频调速系统中可以长时间可靠工作。 (2
26、) 作为电源产品:与目前的电源产品相比，矩阵变换器有一定优越性，如功率因数高、无中间储能环节、结构紧凑寿命长，在这方面，矩阵式变换器的研究有良好的市场前景。 (3) 用于高压大功率变换:在需要高压的场合，可以将矩阵式变换器串联使用，达到高压大功率输出的目的。 (4) 用于功率因数校正:由于矩阵式变换器的输入功率因数可以任意调节，其调制策略和实现技术在某些场合可以用于校正电路的功率因数。由于它具有柔性变换能力，可以作为一种通用的电力变换器来实现电力变压器的某些性能，作为无功补偿器来提高电网利用率。 7 结束语 经过 20 多年的研究和开发工作，人们对矩阵式变换器的研究越来越透彻，获得了大量的理论成果和实验结果，并已经成功地应用到电力传动领域。随着矩阵式变换器控制算法的日益成熟，安全换流策略的日益成功，输入滤波器设计与过压保护措施的日趋完善，矩阵式变换器产品化的步伐也越来越快。可以预见，作为一种环保变换器，矩阵变换器将在变换器世界掀起一场绿色变换器应用风暴。
