矩陣變換器是一種沒有中間直流鏈路級的直接變換交流變換器。該拓撲結(jié)構(gòu)能夠在緊湊的體積內(nèi)實現(xiàn)高功率密度、雙向動力流和精確控制，適用于可再生能源系統(tǒng)、電動汽車、工業(yè)電機驅(qū)動、航空航天和海洋應(yīng)用。當需要更高功率時，可以使用環(huán)路轉(zhuǎn)換器或矩陣多電平轉(zhuǎn)換器。這三者都是單級交流轉(zhuǎn)交流轉(zhuǎn)換器。這兩種矩陣變換器都使用雙向開關(guān)，而環(huán)路變換器使用兩組單向開關(guān)，類似晶閘管，一組用于正半周期，另一組用于負半周期。

通過控制雙向開關(guān)的導通周期，矩陣轉(zhuǎn)換器可以輸出不同的電壓、頻率和相位。設(shè)計得當后，它們能夠提供更高的功率密度和更高的可靠性，相較于直流鏈路拓撲。它們的主要缺點是需要更多的電源開關(guān)和復雜的控制方案。

圖1 高功率轉(zhuǎn)換器拓撲分類樹，左側(cè)顯示矩陣轉(zhuǎn)換器

（圖片來源：MDPI能量）

1   應(yīng)用

●   一般來說，矩陣轉(zhuǎn)換器用于需要高質(zhì)量電力的情況。它們可以產(chǎn)生正弦波輸入和輸出電流，且諧波很少，電磁干擾也很少。具體例子包括：

●   綠色能源系統(tǒng)，矩陣變換器提供高質(zhì)量的電網(wǎng)交互式電力接口，將太陽能電池板和風力渦輪機連接到電網(wǎng)。

●   電動汽車受益于矩陣變換器的雙向功率處理，這些變換器實現(xiàn)了再生制動，并提供可變頻率、可變電壓為電機供電。在電動汽車充電站中，它們消除了其他拓撲結(jié)構(gòu)中笨重且昂貴的直流鏈路電容的需求。

●   工業(yè)自動化系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的能源效率和更精準的速度和方向控制。

●   航空航天和海洋設(shè)施，包括海上平臺，受益于矩陣轉(zhuǎn)換器所實現(xiàn)的緊湊輕量化解決方案。

2   工作原理

雙向電源開關(guān)是矩陣變換器的主要區(qū)別因素。它們通常由帶有反并聯(lián)二極管的IGBT（光譜電晶管）或MOSFET組成。三相轉(zhuǎn)三相矩陣變換器需要九個雙向開關(guān)（見圖2）。

圖2 左下角顯示的三相到三相矩陣變換器結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)

（圖片來源：Monolithic Power Systems)

通過消除直流鏈路電容，矩陣拓撲使元件更少且更小，同時實現(xiàn)更高的功率密度和更高的可靠性。輸出的電壓、頻率和相位偏移由占空比和功率切換的時序決定。

3   設(shè)計挑戰(zhàn)

矩陣轉(zhuǎn)換器顯著的性能優(yōu)勢，但與其他高功率拓撲相比，設(shè)計復雜度較大。主要設(shè)計挑戰(zhàn)涉及復雜控制策略、靈敏換向過程以及保護和容錯能力。

構(gòu)建和控制雙向開關(guān)需要大量努力。雙向開關(guān)需要隔離的柵極驅(qū)動器，增加了設(shè)計復雜度。控制算法必須精確同步功率半導體器件的切換；否則，可能會發(fā)生災(zāi)難性故障，比如輸入端短路或輸出端開路。

精確控制同樣是實現(xiàn)矩陣變換器可變頻率、電壓和相位關(guān)系的必要條件。它們通常使用空間矢量調(diào)制（SVM）技術(shù)，這些技術(shù)比傳統(tǒng)脈寬調(diào)制（PWM）更復雜且計算量更大。

矩陣轉(zhuǎn)換器缺乏簡單的自由路徑，增加了難度。這些轉(zhuǎn)換器需要復雜的基于電流或電壓的多步換向算法，這不僅會增加開關(guān)損耗，還會增加系統(tǒng)復雜度。

換向?qū)υ肼暋⒀舆t和輸入電壓擾動敏感，這些都可能導致電流尖峰或換向失效。

缺乏直流鏈路電容使矩陣變換器的保護策略變得復雜。為了吸收感性負載的能量并減輕電壓尖峰，需要由二極管橋和電容器組成的箝位電路。

控制策略必須能夠適應(yīng)可能降低輸出質(zhì)量的輸入電壓不平衡或電壓下降。如果發(fā)生控制或切換錯誤，驅(qū)動感應(yīng)負載時關(guān)閉所有開關(guān)會導致?lián)p壞性的過電壓涌。

4   總結(jié)

矩陣轉(zhuǎn)換器是一種直接、可變的交流轉(zhuǎn)交流轉(zhuǎn)換器，沒有中間的直流鏈路級。它可以提供可變的電壓、頻率和相位。缺少直流鏈路電容使解決方案體積小且成本更低，但也帶來了控制和保護電路設(shè)計上的挑戰(zhàn)。這些轉(zhuǎn)換器通常依賴復雜的SVM 控制技術(shù)。

（本文來源于《EEPW》202512）