1 引言
矩陣變換器被稱為“綠色變頻器”，具有優(yōu)良的輸入輸出特性，允許頻率單級(jí)變換，無需大容量的貯能元件，其輸入電流正弦，輸入功率因數(shù)高并可自由調(diào)節(jié)，且與負(fù)載的功率因數(shù)無關(guān)，輸出電壓正弦、大小可調(diào)，輸出頻率可高于、低于輸入頻率。特別是其功率可雙向流動(dòng)，具有四象限運(yùn)行能力；加之體積小、效率高，符合今后模塊化發(fā)展方向。近年來隨著電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，矩陣式變換器的研究形成了一個(gè)熱點(diǎn)。
但是，矩陣變換器的理論自1976年由brpelly等提出，歷經(jīng)30年卻未在工業(yè)過程中得到廣泛應(yīng)用，其中一個(gè)重要原因就是其安全換流問題沒有完全解決[2]。本文討論了矩陣變換器的換流特點(diǎn)，詳細(xì)分析了矩陣變換器基于負(fù)載電流、基于電源電壓以及改進(jìn)型的基于電源電壓[1]三種換流策略的換流方法，對(duì)這三種換流方法進(jìn)行比較，最后對(duì)改進(jìn)型基于電源電壓的換流策略采用matlab/simubbbb進(jìn)行仿真，給出了具體的仿真電路和波形，證明了改進(jìn)型基于電源電壓換流策略的正確性。

2 矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1 矩陣變換器電路拓?fù)?/P>

圖1所示為三相到三相的矩陣變換器，其電源側(cè)和負(fù)載側(cè)通過矩陣變換開關(guān)直接相連，且電源側(cè)的每一相和負(fù)載側(cè)的每一相分別相連，組成全硅的變換矩陣。電路具有單級(jí)三相—三相變換能力，輸出側(cè)的頻率可以高于輸入側(cè)且理論上可以無限增加。
2.1 矩陣變換器的換流問題
（1）雙向開關(guān)
圖1所示電路中所有開關(guān)均需具備阻斷雙向電壓和導(dǎo)通雙向電流的能力，所以被稱為雙向開關(guān)。由于目前市場上還沒有具備這種功能的開關(guān)器件，所以雙向開關(guān)都是通過單向開關(guān)組合而成。組成的方式有共發(fā)射極、共集電極和橋式等，分別如圖2、圖3、圖4[3]所示。

圖2 共射極串聯(lián)

圖3 共集極串聯(lián)

圖4 橋式

（2）換流問題
為了便于理解，本文采用圖5所示的單相ac chopper帶r—l負(fù)載電路來說明矩陣變換器在換流過程中會(huì)出現(xiàn)的問題。

圖5 ac chopper電路

現(xiàn)假設(shè)初始條件為s1閉合，交流電源給負(fù)載供電（下文稱作供電階段）。某一時(shí)刻，需要利用s2進(jìn)行續(xù)流（下文稱作續(xù)流階段），即將開關(guān)從s1切換到s2，如果s1的斷開和s2的閉合能同時(shí)進(jìn)行并瞬時(shí)完成，換流沒有問題。但是，由于這樣開關(guān)器件現(xiàn)實(shí)當(dāng)中并不存在，所以就會(huì)出現(xiàn)s1尚未斷而s2已經(jīng)導(dǎo)通或s1已經(jīng)關(guān)斷而s2還沒有導(dǎo)通的情況。前者會(huì)形成ac source-s1-s2的通路，即電源被開關(guān)s1和s2直接短路，這樣就會(huì)在瞬間形成很高的電流而燒壞開關(guān)管；后者會(huì)使得存儲(chǔ)在電感l(wèi)上的能量得不到釋放，從而形成很高的電壓尖峰，同樣損壞開關(guān)管。這就是矩陣變換器換流的問題。

3 換流策略

圖6 擴(kuò)展的ac chopper電路

為了解決上述換流問題，廣泛采用多步換流方法。為了便于描述，將圖5中的開關(guān)采用圖2的雙向開關(guān)替代，并將開關(guān)分別命名為s1f、s1r、s2f、s2r得到擴(kuò)展的ac chopper電路見圖6。圖6箭頭所示的方向?yàn)殡妷汉碗娏鞯膮⒖挤较颉?BR>（1）基于輸出側(cè)電流的換流策略
現(xiàn)假設(shè)開關(guān)s1f、s1r導(dǎo)通，s2f、s2r斷開，此時(shí)該電路能導(dǎo)通雙向電流，電路處于供電階段。某一時(shí)刻，電路需要進(jìn)入續(xù)流階段，即需要將s1f、s1r斷開，s2f、s2r導(dǎo)通。如果斷開s1f、s1r的同時(shí)開通s2f、s2r，前文所述的換流問題將會(huì)出現(xiàn)。為了安全換流，假設(shè)輸出側(cè)的電流io方向如圖6箭頭所示，筆者采用如下?lián)Q流過程：
● 關(guān)斷s1r。由于s1r并不導(dǎo)通電流，故關(guān)斷s1r并不影響電路的工作。
● 開通s2f。由于s1r已經(jīng)關(guān)斷，所以此時(shí)無論ein>0，還是ein<0，都不會(huì)造成電源側(cè)短路。并且，如果ein>0，則s2f會(huì)因?yàn)槌惺芊聪螂妷翰⒉荒軐?dǎo)通，也就不參與主電路的工作；如果ein<0，則s1f會(huì)馬上換流到s2f。
● 關(guān)斷s1f。如果第二步s1f已經(jīng)換流到s2f，則這步已經(jīng)不影響主電路的工作了；如果沒有，則s1f關(guān)斷后，s2f就會(huì)開始導(dǎo)通。
● 開通s2r。換流結(jié)束。
同樣，從續(xù)流階段進(jìn)入供電階段的換流過程為（假設(shè)電流的方向與圖6所示方向相反）：關(guān)斷s2f，開通s1r、關(guān)斷s2r，開通s1f。
另外兩種情況可類似分析得到。
可見，整個(gè)換流期間既不會(huì)出現(xiàn)電源短路也不會(huì)出現(xiàn)電感被開路的情況，可以實(shí)現(xiàn)安全換流。
（2）基于輸入側(cè)電壓的換流策略
現(xiàn)假設(shè)開關(guān)s1f、s1r導(dǎo)通，能導(dǎo)通雙向的電流，s2f、s2r斷開，電路處于供電階段。某一時(shí)刻，電路需要進(jìn)入續(xù)流階段，即需要將s1f、s1r斷開，s2f、s2r導(dǎo)通。同樣，為了安全換流，假設(shè)輸入側(cè)的電壓ein>0，其換流的過程如下：
● 開通s2f，由于ein>0，所以并不會(huì)形成短路電源的情況發(fā)生。
● 斷開s1f，此時(shí)電流的方向可能與圖6所示的方向一致，也可能不一致。但是都不會(huì)引起電感短路形成電壓尖峰。因?yàn)?，如果電流的方向與圖6所示方向一致，由于第一步已經(jīng)將s2f開通，所以l-r-s2f-s2r的反并聯(lián)二極管形成電感通路；如果電流的方向和圖6所示的方向相反，則ein-s1f反并聯(lián)二極管-s1r-l-r形成通路，所以關(guān)斷s1f并不會(huì)引起電壓尖峰或電源短路。
● 開通s2r，由于s1f已經(jīng)關(guān)斷，所以不會(huì)形成電源短路；由于s2f可以導(dǎo)通圖6所示方向電流，s1r可以導(dǎo)通圖6所示方向相反方向電流，故換流不會(huì)出現(xiàn)像前文分析的故障。
● 斷開s1r，此時(shí)s2r已經(jīng)開通，可以導(dǎo)通反向電流，所以s1r可以安全斷開，換流結(jié)束。
其余情況可類似分析得到。
（3）改進(jìn)型的基于輸入側(cè)電壓的換流策略
由（2）中的分析可以看出，a和d兩不換流過程可以進(jìn)行如下的改進(jìn)：在ein>0時(shí)，s2f、s1r一直導(dǎo)通。供電階段，s1f開通。某一時(shí)刻，電路需要進(jìn)入續(xù)流階段，只需要先關(guān)斷s1f，然后導(dǎo)通s2r即可完成換流。由（2）的分析可知，換流的效果是一樣的，既不會(huì)電源短路產(chǎn)生大電流也不會(huì)電感斷路形成電壓尖峰。在ein<0時(shí)，s1f、s2r一直導(dǎo)通。

4 換流方案比較
對(duì)于基于輸出側(cè)電流的換流策略，當(dāng)電路工作在電流較小的工況下時(shí)，會(huì)由于電流方向檢測不準(zhǔn)確而造成換流失敗，為了減小電流檢測的誤差帶，需要采用電流檢測精度更好的傳感器，使得死區(qū)帶最小，這樣電感的儲(chǔ)能更小，產(chǎn)生的電壓尖峰才能減小到開關(guān)器件能承受的范圍內(nèi)。
對(duì)于基于輸入側(cè)電壓的換流策略，解決了基于輸出側(cè)電流換流策略的電流死區(qū)帶的影響，始終都給電感提供通路，故不會(huì)因電感開路而產(chǎn)生電壓尖峰。同時(shí)，由于它是檢測電源側(cè)電壓，其值不會(huì)受運(yùn)行工況的影響，即使輸出電流很小，電源的電壓也是穩(wěn)定的，電壓正負(fù)的檢測也會(huì)更加容易。
改進(jìn)型的基于輸入側(cè)電壓的換流策略只需要兩步，比其余兩種換流策略都少了兩步，換流過程更加快速，同時(shí)減少了開關(guān)損耗，減少了驅(qū)動(dòng)電源的負(fù)擔(dān)，而且它也完全具備基于輸入側(cè)電壓的換流策略的優(yōu)點(diǎn)。

5 仿真結(jié)果
本文利用matlab/simubbbb對(duì)圖6所示電路采用改進(jìn)型基于輸入側(cè)電壓的換流策略進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了其正確性。
電路參數(shù)：
電源：220v/ac；
電源頻率：50hz；
開關(guān)頻率：10khz；
負(fù)載電感：100μh；
負(fù)載電阻：2ω。
仿真控制電路見圖7?？刂齐娐返妮斎霝殡娫措妷汉鸵粋€(gè)占空比為80%的脈沖信號(hào)。電源經(jīng)符號(hào)函數(shù)作用，得到電源電壓的正負(fù)。當(dāng)電源為正的時(shí)候，一直開通s1n，s2n，當(dāng)電源為負(fù)的時(shí)候，經(jīng)過一個(gè)“非”運(yùn)算，一直開通s1f，s2f。脈沖發(fā)生器發(fā)出一個(gè)占空比為80%的脈沖信號(hào)，經(jīng)圖7所示的邏輯控制s1f、s1r的通斷；該脈沖信號(hào)經(jīng)過“非”運(yùn)算，得到的占空比為20%的脈沖信號(hào)控制s2f、s2r的通斷。由于換流期間，必須在一個(gè)開關(guān)完全關(guān)斷以后，才能導(dǎo)通需要導(dǎo)通的開關(guān)，否則會(huì)出現(xiàn)電源短路的情況發(fā)生，所以，兩步換流需要設(shè)計(jì)足夠的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間由圖7所示的delay 3us1和delay 3us2完成。其具體的實(shí)現(xiàn)方式參見圖8。

圖7 采用改進(jìn)型基于輸入側(cè)電壓的換流策略控制邏輯

圖8 死區(qū)控制邏輯

當(dāng)某一時(shí)刻需要關(guān)斷脈沖的時(shí)候，死區(qū)控制邏輯輸入一個(gè)低電平，此時(shí)，延時(shí)模塊（圖8中的discrete on/off delay，延時(shí)3μs，圖6中所有igbt的拖尾電流時(shí)間為2μs）不會(huì)作用，輸出立即變低；相反，此時(shí)如果輸入的是一個(gè)高電平，則由于延時(shí)模塊的作用，后面“與”門的第二個(gè)輸入會(huì)延時(shí)3μs。
當(dāng)某一時(shí)刻需要關(guān)斷脈沖的時(shí)候，死區(qū)控制邏輯輸入一個(gè)低電平，此時(shí)，延時(shí)模塊（圖8中的discrete on/off delay，延時(shí)3μs，圖6中所有igbt的拖尾電流時(shí)間為2μs）不會(huì)作用，輸出立即變低；相反，此時(shí)如果輸入的是一個(gè)高電平，則由于延時(shí)模塊的作用，后面“與”門的第二個(gè)輸入會(huì)延時(shí)3μs才會(huì)變高，所以，輸出比輸入推遲了3μs，起到延時(shí)開通的作用，完成死區(qū)控制。
仿真電源電壓與四路脈沖波形見圖9。

圖9 電源電壓與四路脈沖波型

圖9中第一欄為輸入電源電壓波形，下面四欄分別為圖6中s1f、s1r、s2f、s2r的門極脈沖波形。展開了的帶死區(qū)的波形見圖10。

圖10 死區(qū)時(shí)間（橫坐標(biāo)單位10μs/div）

開關(guān)管s1f的c、e之間電壓vce電壓與其電流的波形見圖11。其中第一欄為輸入電源電壓波形，第二欄為流過s1f的電流波形，第三欄為s1f的vce波形。展開的波形見圖12。

圖11 s1f的導(dǎo)通電流及其vce波形

圖12 展開的s1f導(dǎo)通電流及其vce波形

可見，開關(guān)管沒有電源短路而造成的大電流情況出現(xiàn)，除了由于考慮igbt自身寄生電感（仿真時(shí)設(shè)置為1μh）的原因，在igbt關(guān)斷的時(shí)候出現(xiàn)較小的電壓尖峰外，并沒有出現(xiàn)電壓尖峰的情況，所以，換流是安全的。

6 結(jié)束語
本文詳細(xì)的討論了矩陣變換器的基于負(fù)載電流、基于電源電壓和改進(jìn)型基于電源電壓的換流過程，并對(duì)改進(jìn)型基于電源電壓的換流策略采用matlab/simubbbb進(jìn)行仿真，給出具體的仿真電路和波形，說明了改進(jìn)型基于電源電壓換流的正確性。