Sapn
p idc
p
Sap
idc
Sapp Sanp Sann
n
Sapp Sanp Sann
n
Sa
San n
整流级开关减少步骤
Sap
Sbp
Scp
vsb Lf isb
vsa isa
Sa
Sb
Sc
vsc isc
功率开关个数可以进一 步减少到15个。性能与 18开关电路相同 ，但传 导损耗显然要大于18开 关电路
p
Sap
Sbp
Scp
a
SAP
SBP SCP
A
双级矩阵变换器是在单
b
级矩阵变换器间接空间
c
矢量调制思想基础上发
展起来的一种新型矩阵
变换器拓扑结构。
需要12个双向开关即24个单向开关
B C
San
Sbn
整流级
Scn n
SAn
SBn SCn
逆变级
双级矩阵变换器拓扑结构图
七、双级矩阵变换器拓扑结构
在中间直流电 压始终控制为 上正下负的条 件下，逆变级 只需采用单向 开关，是传统 的电压型逆变 器结构，双级 矩阵变换器功 率开关个数减 少到18个。
电力电子技术
矩阵变换器
主要内容
矩阵变换器的研究背景 基本电路拓扑 调制基本原理与调制策略 安全换流技术 双级矩阵变换器的简介 保护电路 研究热点及应用前景
一、研究背景
目前工业生产和日常生活中广泛使用的变频器存 在很多缺点，如寿命短、可靠性差、体积大、成本 高。其中最突出的缺陷是对电网造成的谐波污染。
ic
0
定义:
1 Sij 0
Va
Vb
Vc
当开关单元开通时； 当开关单元关断时；
矩阵变换器的正常运行必须
满足以下两个约束条件：1) 在任
意时刻与同一输入相相连的三个
开关必须且只能有一个开关元件
导通，否则将造成输入两相短
路；2) 在任意时刻与同一相负载
相连的三个开关也不能同时关
断，以免造成感性负载开路而感
以A输出相电路为例，假设按照控制策略要求,功率由电压源Ua改为由Ub提供
Ua
SA1
SA2
Ub
SB1
UA
SB2
Uc
SC1
IL
SC2
矩阵变换器A相输出电流四步换流原理图
四步换流时序图
五、换流方法的研究
② 两步法：引入输入电压相区概念，在每个相区中，输入电压
中总有一个最大值和最小值的极性不变，采用适当开关策略， 就可以实现直接从一个开关到另一个开关的安全换流；
SA1、SA2导通
111010
SB1导通、SB2关闭
P
SC1导通、SC2关闭
110010
PN
011010
PM
011110
M
两步换流输入相区划分
010111
N
010111
MN
A输出相两步半软换流开关状态
五、换流方法的研究
③辅助谐振软开关换流：它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， 主开关可以实现ZVS，辅助开关可以实现ZCS。 主开关之间只有感性换流，零电流切换，通过增 加换流电感可以做到零电流开通。这种换流方式 能够安全、高效的高频切换，改善系统动态性能 和频谱特性，简化保护逻辑和缓冲电路。但是功 率开关与谐振电感会流过较大的电流，而且需要 谐振网络和辅助开关，零电压、零电流的检测很 困难，谐振回路易受元件时漂的影响，整机成本 增加。
现模块化; ⑥ 无需较大的滤波电容，动态响应快。
二、电路拓扑
矩阵变换器的电路拓扑形式早在1976年就被提 出，但直到1981年意大利学者M.Venturini和A.Alesina 提出了矩阵变换器存在的控制策略后，其特点才为人 们所关注和研究。
矩阵变换器最初提出时指的是用双向开关连接的 从m相输入变换到n相输出的一般化结构，因此被称为 通用变换器。3×3矩阵变换器是从三相交流变换到三 相交流的一种拓扑，是最常见的拓扑结构。
p idc
vsb Lf isb
SAP SBP SCP
iA
vsa isa
Sa
Sb
Sc
iB
Vdc
vsc isc
iC SAn SBn SCn
Cf
n
9开关双级矩阵变换器拓扑结构图
七、双级矩阵变换器优点
双级矩阵变换器是一种具有新型拓扑结构的矩阵变换器，它基于三相 AC-DC-AC双级变换结构，不仅具有单级矩阵变换器所有的功能和特点,而 且还具备如下优点： ✓ ① 具有优良的输入输出性能、输入功率因数固定、能量传输可逆、直
矩阵变换器的空间矢量法由南斯拉夫学者Huber和美国 教授Borojevic两人在1989年联合提出。
空间矢量调制方法将单级矩 阵变换器等效为一个虚拟整 流器和一个虚拟逆变器通过 虚拟的直流环节串联，在虚 拟整流器中对输入相电流进 行空间矢量PWM调制，在虚 拟逆变器中对输出线电压进 行空间矢量PWM调制，最后 根据开关函数的对应关系综 合出矩阵变换器的交一交直 接变换控制方式。
(2) 在控制实现的关键问题－换流上，研究适合于矩阵变换 器的高效、可靠的换流方法，将多步换流造成的输出电压 损失降低到最小程度；
(3) 矩阵变换器换流过程存在和逆变器类似的死区效应，但 是很少有文献定量分析死区效应对性能的影响，从而缺乏 针对性的补偿，造成输入输出性能下降；
六、 3×3矩阵变换器的缺点
3×3矩阵变换器拓扑结构
o
va
vb
vc
ia
ib
ic iA
S11
S12
S13 uAB
iB
S21
S22
S23
uBC
uCA
iC
S31
S32
S33
iAB iCA
iBC
3×3矩阵变换器拓扑结构
三、调制基本原理
VA
iA
sAa sAb sAc
VB
iB
sBa sBb sBc
VC
iC
sCa sCb sCc
ia
ib
七、双级矩阵变换器拓扑结构
ua ia
Spa
Sna
ub ib
Spb
Snb
uc
ic p ip
+
Spc upn
-
n Snc
uA iA
SAP
SAn
uB iB
SBP
SBn
uC iC
SCP
SCn
虚拟整流器
虚拟逆变器
双级矩阵变换器包含交－直（整流） 和直－交（逆变）两级变换电路。没 有中间直流环节，属于直接交交变频 装置。
的需要
（4）结构简单，具有较高的能量密度和效率
矩阵变换器优点
① 输入功率因数可控，带任何负载时都能使功率因数为 1.0，实现谐波主动削减 ;
② 输出电压和输入电流的低次谐波含量较小； ③ 能够实现能量双向流动, 便于电动机实现四象限运行; ④ 控制自由度大,输出电压幅值和频率范围连续可调; ⑤ 无中间直流环节，结构紧凑，体积小，效率高，便于实
谐波污染会影响到整个电力系统的电气环境，对 电力系统本身和其他用户和设备造成极大的危害。
所以迫切需要研究开发一种“绿色”电源变频器。
“绿色”电源变频器特征
（1）良好的输出特性
矩阵变换器满足所有要 求，是实现“绿色”电
源 变频器最具发展前景的 技术方案。
（2）高输入功率因数，消除对电网的谐波污染
（3）能实现能量的双向流动，满足电机四象限运行
(4) 矩阵变换器存在固有输入、输出电压传输比低的缺陷， 如何提高电压传输比一直是矩阵变换器在通用调速系统中 的重要问题和应用障碍，但它与变换器输入端功率因数和 调制系数有关，如何设计合理的控制方案是矩阵变换器走 向实用化需要解决的重要问题，应深化这方面研究以提高 矩阵交－交变换器的实用价值；
(5) 主电路参数的系统优化设计方面鲜有文献涉及，事实上 主电路参数例如输入滤波网络也是矩阵变换器优良特性的 保证，这方面还有待深化。
第三步、空间矢量调制方法
Iref 为输入参考电流矢 量
Uref 为输出参考电压矢量
第三步、空间矢量调制方法
通过改变Iref的旋转速度，即可调节输入功率因数角。例如，当需 要单位功率因数时，只需要对输入相电压矢量进行检测，包括测量输 入相电压矢量所处的扇区和在扇区中的角度位置，就可以简单得到输 入相电流矢量在每一扇区的位置角,然后让输入相电流矢量与输入相电 压矢量同步同频旋转即可。
应高电压。
即需要满足约束：
Sia Sib Sic 1
i A,B,C
其中：i=｛A,B,C｝,j=｛a, b, c｝,i代表输出，j代表输入。
三、调制基本原理
(问题描述)
VA
iA
sAa sAb sAc
电压输入输出关系
VB
iB
sBa sBb sBc
VC
iC
sCa sCb sCc
ia
ib
ic
0
已知
Va
换流方法主要有四步半软换流、两步半软换流 、辅助谐 振软开关换流等。
五、换流方法的研究
①四步法(半软开关法)：通过检测负载电流的方向，恰当地安排两 个双向开关中4个单向开关的导通关断顺序，经历4步可以使负载 电流从一个双向开关转换到另一个双向开关。由于一次换流中总
有2步是自然换流，因此也称之为半软开关换流。
七、 双级矩阵变换器调制策略 SVPWM调制
整流级调制时不仅要满足输入端功 率因数可调，还需保证中间直流电压极 性始终为正。
逆变级是传统的电压型逆变器结 构，可以直接应用已经很成熟的电压空 间矢量调制策略。