交-交电力变换器拓扑结构综述

徐艳春，杨昊

（三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌443002）

近年来随着电力电子技术、微电子技术和计算机技术的快速发展，变频调速装置获得了日益广泛的应用，其中大多数通用变频器为交-直-交变频器。但由于该装置中使用了桥式整流器件，所以输入电流波形失真度较大，且功率因数极低。因此，对具有良好输入电流品质因数的电力电子设备的研究已成为现今的趋势，而矩阵式变换器的出现可以从根本上解决这些问题。

矩阵式变换器是众多交-交电力变换拓扑中的一种形式，与交-直-交型变换器相比，虽然具有省去中间直流环节、可四象限运行等优点，但也存在开关器件数目多、换流过程复杂等缺点。其概念和电路拓扑结构最早由L.Gyugyi和B.R.Pelly于1976年提出[1]，但由于当时缺少高频可关断的功率开关管和具有快速数字信号处理能力的芯片，因此只能停留在理论阶段，直到意大利学者M.Venturini和A.Alesina于1980年对该理论进行了证明，并且提出了一种新的电压调制策略，即后来的直接型矩阵式变换器[2]。在直接型矩阵式变换器的基础上，国外学者开始考虑可否把交交变换分解成两部分，于是，间接型矩阵式变换器[3]应运而生。与此同时，国内外学者又提出了一系列新的拓扑结构，大大减少了开关器件，降低了成本。但是它们却存在诸如开关器件损耗较大，有的拓扑结构能量只能单向流动的缺点[4]，因此其应用范围受到了一定的限制。例如15开关拓扑结构可以用来驱动电机的四象限运行，而12开关和9开关拓扑结构却只能用于能量的单向传输。此外，矩阵式变换器还有一些新型电路拓扑结构，接下来，本文将对它们进行介绍和描述。

1 直接型矩阵式变换器

直接型矩阵式变换器（DMC）是一种单级交-交变换器，由9个双向开关构成，如图1所示。它具有输入功率因数可任意调节、能量能够双向流通、将近正弦的输出电流、无储能元件、体积小、易于集成等一系列优点。然而，至今为止它仍然没有广泛应用到工业中，原因是其复杂的PWM控制策略和保护策略，同时为了安全操作还需要复杂的换流方案和精密的钳位电路[2]。

图1 直接型矩阵式变换器的电路拓扑结构Fig.1 The topology of direct matrix converter

图中DMC的输入输出关系可表示为

式中：Vsa、Vsb、Vsc为三相输出电压；Vsu、Vsv、Vsw为三相输入电压。

图1中Sjk代表矩阵式变换器k相输入和j相输出的开关状态，j∈a，b，c，k∈u，v，w，当Sjk=1时，开关导通；当Sjk=0时，开关关断。为避免短路，任意时刻同一输出相的3个双向开关中，有且只有一个开关导通，开关情况如下所示：

由此可见，直接型矩阵式变换器共有27种开关状态，控制策略十分复杂，开关器件多且成本高，难以应用到工业中，因此海内外学者对改造其电路拓扑结构进行了大量的研究，下面将对其进行详细的介绍和描述。

2 间接型矩阵式变换器（IMC）

为简化直接型矩阵式变换器电路拓扑结构，减少开关元件的数量，降低其控制难易程度，国外学者提出了一种新型的电路拓扑结构，称其为间接型矩阵式变换器（IMC），见图2。与传统AC-DC-AC变换器所不同的是，它没有大电容或大电感等中间直流储能环节，其体积能够大大减小，但是其直流部分的稳定性会变差。目前所研发的间接型矩阵式变换器拓扑主要有双级矩阵式变换器（TSMC，又称为双桥直接变换器）、稀疏矩阵式变换器（SMC）、精简矩阵式变换器（RMC）等。

图2 间接型矩阵式变换器基本结构Fig.2 The basic structure of indirect matrix converter

2.1 双级矩阵式变换器（TSMC）

双级矩阵式变换器（TSMC，又称双桥直接变换器）的电路拓扑结构如图3所示。它主要采用三相AC-DC-AC的结构形式，其中整流部分的电路由6个双向开关构成，而逆变部分的电路则与传统三相逆变器相同。这种电路结构在各个方面都有极大的优势，其功能足以和直接矩阵式变换器媲美，同时它还能克服其开关数量多、控制复杂等缺点，是一种颇具发展潜力的新型交-交变换器[4]。

图3 双级矩阵式变换器电路拓扑结构Fig.3 The topology of two-stage matrix converter

双级矩阵式变换器的优势体现在[4-5]：1）输入输出性能优良，功率因数的品质较高，能量可以双向流通，同时直流环节无大电容或大电感等储能元件，易于集成；2）系统换流简单，可靠性大大提高；3）根据约束条件，可减少开关器件数量；4）对于整流部分和逆变部分，可以通过分别选用改进的空间矢量调制方法来简化控制。

作为电力电子学科中一个很有潜力的新兴课题，虽然国内外研究人员对双级矩阵式变换器开展了不少卓有成效的工作，但迄今为止，双级矩阵式变换器在研究过程中仍然存在一些问题，离真正的产品化尚有一定的距离。

1）双级矩阵式变换器无大电容或大电感等中间直流储能环节，当谐波失真或者电压不平衡等干扰时，其输入输出性能易受影响，需要着重研究其在非正常工控下的控制策略。

2）双级矩阵式变换器的电压利用率较低（通常小于86%），需要对调制策略或电路拓扑加以改进，以提高电压利用率，从而扩大系统的工作范围。

3）在某些特定条件下，双级矩阵式变换器的运行性能仍然不能令人满意。若想进一步提高其输入输出性能，改善电磁兼容（EMC）特性，减少损耗，提高系统效率和可靠性，还需将整流部分、逆变部分以及负载部分进行综合考虑。

2.2 稀疏矩阵式变换器（SMC）

双级矩阵式变换器虽然具有诸多优点，但是其开关器件数目仍然比较多，如何根据实际需要适当减少双级矩阵变换器的开关器件数量，海内外学者对此做了大量的研究工作[4-7]。

从图3所示的双级矩阵式变换器可以看出，开关Sapp和Sann在任意时刻都是由同一个门极信号所驱动，为了简化电路，开关Sapp和Sann可合并成开关Sa，如图4所示，其中p为正，n为负。同样的情况适合于另外两对开关：Sbpp和Sbnn、Scpp和Scnn，因此能够获得一个如图5所示的15开关双级矩阵式变换器电路。15开关电路的性能和18开关电路的性能相同，但当直流电为正时，15开关电路的导通损耗明显要比18开关电路高。

图4 开关减少原理Fig.4 Steps to reduce the switch number

若添加一个前提条件，确保双级矩阵式变换器中间环节电流极性为正，即idc＞0，就可以进一步减少其开关器件数量。图6、图7分别是由12开关和9开关所构成的双级矩阵式变换器电路[7]，虽然它们的性能相同，但是9开关电路的导通损耗明显要比12开关电路高。同时由于电流极性为正的前提，这2种电路的能量只能单向传输，其应用范围受限。

2.3 精简矩阵式变换器（RMC）

精简矩阵式变换器是一种从直接型矩阵式变换器电路拓扑衍生出来的新型功率变换器[8]，具有结构紧凑、控制灵活、输入/输出性能良好等特点，其拓扑结构如图8所示。由RMC所构成的变换器具备转换级数少、功率密度高、效率高等特点，是用于海上风力发电-高压直流输电系统中一种颇有潜力的变换器[9]。最近几年，海内外研究人员在RMC所构成的变换器的调制方法、换流策略等方面进行了研究，并且取得了一定的研究进展[10-13]。

图5 15开关双级矩阵式变换器电路拓扑结构Fig.5 The topology of two-stage matrix converter with 15 switches

图6 12开关双级矩阵式变换器电路拓扑结构Fig.6 The topology of two-stage matrix converter with 12 switches

图7 9开关双级矩阵式变换器电路拓扑结构Fig.7 The topology of two-stage matrix converter with 9 switches

RMC电路拓扑结构和双级矩阵式变换器电路拓扑结构相似[4-14]，也具有双向流通能力。它将发电机所输出的交流电转换成正负交变的高频电，等同于双级矩阵变换器。RMC不仅可以减少开关级数和开关次数，还能提高系统转换效率和可靠性。因为传输的是正负交变的高频电，所以变压器，滤波器等部件的体积会大大减小，同时二极管整流器件将变压器所输出的高频电转换为直流电。因此，精简矩阵式变换器（RMC）在海上风力发电-HVDC系统中具有巨大的潜力。

图8 RMC电路拓扑结构Fig.8 The topology of reduced matrix converter

3 其他新型拓扑矩阵式变换器

直接型矩阵式变换器和间接型矩阵式变换器完成的功能是三相-三相交流电力变换，通常只能为异步电动机、永磁同步电动机等三相交流负载供电。然而在大量的实际工业中，往往只需要为单相电动机、单相交流负载等设备供电。因此，在直接型矩阵式变换器和间接型矩阵式变换器无法满足需要的情况下，一些特殊的矩阵式变换器电路拓扑应运而生，如三相-两相矩阵式变换器、三相-单相矩阵式变换器、单相-三相矩阵式变换器、单相-单相矩阵式变换器，以及多电平矩阵式变换器等[15]。

1）三相-两相矩阵式变换器。三相-两相矩阵式变换器能够提供具有幅值独立可控和90°相位差的正弦输出电流/电压波形，可以将其应用于两相负载中，例如传统单相电机、对称式两相异步电机等[15]。

2）三相-单相矩阵式变换器。虽然在日常生活中三相用电设备得到了广泛的应用，但在一些特殊的工业场合中，仍然要求单相供电，例如感应加热和熔炼工业。与三相-三相矩阵式变换器相比，三相-单相矩阵式变换器开关器件数目更少，输出波形也更加纯粹，同时对其的研究可以促进三相-三相矩阵式变换器的研发，进而达到简化其控制策略，提高系统可靠性和稳定性的目的[16-17]。

3）单相-三相矩阵式变换器。虽然发电厂发出三相交流电，但考虑到输电成本问题，输配电系统中往往选用单相电力传输（电气铁道、轻工业、居民用电等），而负载设备通常都是使用三相电，因此单相-三相矩阵式变换器在现实生活中具有良好的应用前景[18-19]。

4）单相-单相矩阵式变换器。就当今矩阵式变换器研究方向来说，大多数学者往往集中于三相而忽略了某些偏远地区等小容量电力用户，它们多采用单向供电，因此单相AC-AC矩阵式变换器的研发对其日常生活具有非常重要的现实意义[20-22]。

图9 三相-两相矩阵式变换器电路拓扑结构Fig.9 The topology of three-phase to two-phase matrix converter

图10 三相-单相矩阵式变换器电路拓扑结构Fig.10 The topology of three-phase to single-phase matrix converter

图11 单相-三相矩阵式变换器电路拓扑结构Fig.11 The topology of single-phase to three-phase matrix converter

图12 单相-单相矩阵式变换器电路拓扑结构Fig.12 The topology of single-phase to single-phase matrix converter

4 结论

本文对于现有矩阵式变换器的各种拓扑结构的工作原理及其控制进行了综述，在此基础上详尽论述了矩阵式变换器各种电路拓扑结构的演变过程，同时在优缺点方面与直接型矩阵式变换器进行了比较，为后续矩阵式变换器在电力系统的应用奠定基础。矩阵式变换器因其结构和功能上的众多优点，是一种发展潜力巨大的理想电力变换装置，它的研究工作已经越来越引起国内外研究人员的高度关注和重视，相信随着科技的发展和研究的深入，新型功率开关器件的出现，控制芯片的优化等，它的缺点会逐渐克服并逐渐应用到工程实践中，开启交流变频新时代。

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