矩阵转换器作用解析及设计挑战

矩阵变换器是一种没有中间直流链路级的直接变换交流变换器。该拓扑结构能够在紧凑的体积内实现高功率密度、双向动力流和精确控制，适用于可再生能源系统、电动汽车、工业电机驱动、航空航天和海洋应用。当需要更高功率时，可以使用环路转换器或矩阵多电平转换器。这三者都是单级交流转交流转换器。这两种矩阵变换器都使用双向开关，而环路变换器使用两组单向开关，类似晶闸管，一组用于正半周期，另一组用于负半周期。

通过控制双向开关的导通周期，矩阵转换器可以输出不同的电压、频率和相位。设计得当后，它们能够提供更高的功率密度和更高的可靠性，相较于直流链路拓扑。它们的主要缺点是需要更多的电源开关和复杂的控制方案。

图1 高功率转换器拓扑分类树，左侧显示矩阵转换器

（图片来源：MDPI能量）

1   应用

●   一般来说，矩阵转换器用于需要高质量电力的情况。它们可以产生正弦波输入和输出电流，且谐波很少，电磁干扰也很少。具体例子包括：

●   绿色能源系统，矩阵变换器提供高质量的电网交互式电力接口，将太阳能电池板和风力涡轮机连接到电网。

●   电动汽车受益于矩阵变换器的双向功率处理，这些变换器实现了再生制动，并提供可变频率、可变电压为电机供电。在电动汽车充电站中，它们消除了其他拓扑结构中笨重且昂贵的直流链路电容的需求。

●   工业自动化系统能够实现更高的能源效率和更精准的速度和方向控制。

●   航空航天和海洋设施，包括海上平台，受益于矩阵转换器所实现的紧凑轻量化解决方案。

2   工作原理

双向电源开关是矩阵变换器的主要区别因素。它们通常由带有反并联二极管的IGBT（光谱电晶管）或MOSFET组成。三相转三相矩阵变换器需要九个双向开关（见图2）。

图2 左下角显示的三相到三相矩阵变换器结构的基本结构

（图片来源：Monolithic Power Systems)

通过消除直流链路电容，矩阵拓扑使元件更少且更小，同时实现更高的功率密度和更高的可靠性。输出的电压、频率和相位偏移由占空比和功率切换的时序决定。

3   设计挑战

矩阵转换器显著的性能优势，但与其他高功率拓扑相比，设计复杂度较大。主要设计挑战涉及复杂控制策略、灵敏换向过程以及保护和容错能力。

构建和控制双向开关需要大量努力。双向开关需要隔离的栅极驱动器，增加了设计复杂度。控制算法必须精确同步功率半导体器件的切换；否则，可能会发生灾难性故障，比如输入端短路或输出端开路。

精确控制同样是实现矩阵变换器可变频率、电压和相位关系的必要条件。它们通常使用空间矢量调制（SVM）技术，这些技术比传统脉宽调制（PWM）更复杂且计算量更大。

矩阵转换器缺乏简单的自由路径，增加了难度。这些转换器需要复杂的基于电流或电压的多步换向算法，这不仅会增加开关损耗，还会增加系统复杂度。

换向对噪声、延迟和输入电压扰动敏感，这些都可能导致电流尖峰或换向失效。

缺乏直流链路电容使矩阵变换器的保护策略变得复杂。为了吸收感性负载的能量并减轻电压尖峰，需要由二极管桥和电容器组成的箝位电路。

控制策略必须能够适应可能降低输出质量的输入电压不平衡或电压下降。如果发生控制或切换错误，驱动感应负载时关闭所有开关会导致损坏性的过电压涌。

4   总结

矩阵转换器是一种直接、可变的交流转交流转换器，没有中间的直流链路级。它可以提供可变的电压、频率和相位。缺少直流链路电容使解决方案体积小且成本更低，但也带来了控制和保护电路设计上的挑战。这些转换器通常依赖复杂的SVM 控制技术。

（本文来源于《EEPW》202512）