7.2.3  矩阵变换器

随着开关器件的进步，矩阵变换器（matrix converter）SDA-13作为最终的直接构成交流-交流变换电路于1990年代被提出^[8]。如图7.10所示，9个双向开关器件以3×3矩阵的形式将UVW三相输入和abc三相输出连接起来。双向开关器件由2个IGBT和2个二极管按照图示组合连接^[9]，所以这样的组合开关器件具有双向耐压特性，并且基于栅极控制，双向电流可以各自导通与关断。另外，SDA-13基本限定于如图7.10所示的电动机驱动，电动机绕组作为持流电抗器来实现环路切换型功率变换。当然，变换中需要设计零电压带，因此，A1-A2-A3的输入端子上流动脉冲电流，所以有必要设计LC滤波器来吸收该电流，使其不从电源线流出。

图7.10 矩阵变换器的构成电路例

矩阵变换器是电路变得简单的趋势，由于应选择的参数很多，所以控制非常复杂^[10]。特别是在变换中输入电源不能短路，而且输出环路不能处于开路状态，这两个大原则必须遵守。各开关器件一般存在开关延迟，并且有许多动作模式而变得复杂，所以实际产品中需要很多先进技术才能实现，这里只介绍一下简单的控制例子。

图7.11所示为SDA-13的控制方式举例。标记“=1”的各开关器件表示处于导通状态，没有被标记的开关器件处于截止状态。每个序列周期（每个开关周期）内，例如，a相输出线路的电压按照e_U（持续时间t_Ua）、e_W（持续时间t_Wa）和e_V（持续时间t_Va）的顺序进行切换。

图7.12a所示为动作时a相电压的切换情况，a相电压的平均值用实线表示。图7.12b所示为对应的a相电流，电流的相位稍微延迟一些。

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图7.11 矩阵变换器的开关器件控制方式举例

图7.12 矩阵变换器的输出控制仿真举例

其次，图7.13所示为矩阵变换器的等价电源电路^[11]。图7.12a所示波形中的a相由电源的三相间依次进行变换来合成，所以属于电源切换型功率变换，B1′-B2′输出端子变为电压源。另一方面，在图7.11中的序列初期，输出的a、b、c三根线都连接到输入U相来形成零电压段，电动机绕组起持流电抗器的作用，所以负载侧电路实现环路切换型功率变换。因此，对于A1′-A2′输入端，形成电流源负载，脉冲电流进行流动^[12]。装置整体形成复合型功率变换。

图7.13 矩阵变换器的等价电源电路（环路切换型功率变换^[13]）

矩阵变换器在朝着紧凑小型化方向发展，但相应的问题点必须事先处理，可以作为包括专用电动机在内的成套设备进行产品化。