矩阵式变频器及其前景

　　矩阵式变频器MC是一种基于ＰＷＭ原理的交一交直接变频器，它由九个直接接于三相输入和输出之间的开关阵组成，如图1所示。每个开关由两支背一背串联的IGBT构成，允许双向电流流动及承受双向阻断电压。这类变频器有一系列优点：①没有中间直流环节，功率电路简单、紧凑。②可输出频率、幅值及相位可控的正弦负载电压。③正弦的输入输出电流。④输入功率因数等于1或可控。⑤有回馈能力，可在四象限工作。

　　MC发明于20世纪80年代初，虽然有上述优点，但由于一些应用技术难以解决，发展缓慢。近年来随着这些难题的解决，国内外对它给予越来越多的关注。影响MC发展的应用技术主要有三点：换流技术、最大输出电压能力及输入滤波。

　　（1）换流技术换流是指从一个开关导通转换到另一个开关导通的过程。MC的换流较麻烦，以图1中从SAa导通转换到SBa导通为例，由于MC的输入侧接有滤波电容，且A、B两点间电位不等，所以在换流过程中不允许存在两个开关同时导通的现象（重叠），否则将导致A、B两点短路、一个大的电容电流流过开关器件。另一方面，由于负载中存在电感，所以在换流过程中又不允许存在两管均不导通的时间（间隙），否则电感将感应出大尖峰电压加至开关器件。换流既不允许存在重叠，又不允许存在间隙，实现起来很困难，曾是影响MC发展的重要障碍之一。这个问题通过采用多步换流方法已解决，已有四步换流、两步换流等几种方案，其原理都是每个开关中背一背串联的两支IGBT不同时关断或开通，先关断原导通开关中的一支IGBT，再开放待导通开关中的一支IGBT，利用IGBT中的反向二极管的单向导电性能，既维持了负载电流的不间断，又防止了电容电流的出现。

　　（2）最大输出电压能力MC的最大输出电压能力λ是其最大输出电压与输入电源电压之比。在1981年Venturini提出MC想法时仅为0.5，即最大输出电压仅为输入电压的一半，而开关器件所承受的电压是电源电压的峰值。器件承受电压高、输出电压低是MC的另一缺点（交一直一交变频器λ=1.0）。经过20年的发展，许多新的控制策略，例如共模三次谐波加入法、空间矢量法、虚拟直流环节法等相继问世，使从λ从0.5提高到0.87，接近交一直一交变频器水平，参见文献［2］。

　　（3）输入滤波器由于MC的输入电流是阶梯形方波，而供电电源中总是含有感性内抗，所以在MC输入端必须接滤波电容，否则在电流突变时，感性内抗将感应出大的电压尖峰，加至开关器件。滤波电容应按电容电压允许的波动量来选择，即将MC输入的阶梯形电流方波减去其平均值得到在一个开关周期中的电容电流值，再根据电容电压允许的波动量和电容电流值算出所需电容量。为减小MC对电网的影响，往往在电网和滤波电容之间加入滤波电感，构成LC输入滤波单元。

　　在过去的宣传中多称MC为“纯硅变换器”，因为它不需要大的无源储能元件，回避了输入滤波器问题：通过对实际装置的设计计算，知道电容的电容量比交一直～交的中间储能电容小，但由于它们是交流电容，并要承受开关频率的交流电流，体积并不小。如何减小输入滤波器是MC发展中一个需要解决的问题：

　　带有源前端的电压型交一直一交变频器(AFE—VSI)也具有MC所有的优良性能，只是中间有储能电容。MC要发展就必须在与AFE—VSI的竞争中取得优势。在表3中列出了MC与AFE—VSI的比较：

　　（1）大中功率节能调速一律采用6kV、10kV“直接变频”不合理，应根据功率选择合理的电压等级。

　　（2）矢量控制和直接转矩控制各有优缺点，只是不同公司走了不同道路，并无谁优于谁、谁取代谁的问题：

　　（3）无速度传感器系统只适用于非长期低速工况，或是高速时性能要求不高的场合。

　　（4）矩阵变换器中换流和最大输出电压两个问题已解决和得到改善。输入滤波器的问题，以前常被回避，它是影响矩阵变换器应用前景的主要障碍之一。