多年來(lái)，電氣傳動(dòng)專家一直都在討論關(guān)于“矩陣變換”技術(shù)的變頻器是否會(huì)成為下一代變頻器。由于矩陣式交-交變頻器省去了中間直流環(huán)節(jié)，不僅能吸收任何電流雜波，也能提供一個(gè)清潔的輸出電壓，也就是說(shuō)“可以有效地進(jìn)行輸入電源電流控制與輸出電壓控制”。它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為l，輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行，系統(tǒng)的功率密度大，并能實(shí)現(xiàn)輕量化。另外一個(gè)吸引點(diǎn)就是矩陣變頻器去掉了直流電容，矩陣變頻器就能長(zhǎng)時(shí)間可靠工作。幾個(gè)主要的傳動(dòng)供應(yīng)商包括安川、富士、羅克韋爾、西門子等都積極地研究了該項(xiàng)技術(shù)。然而輿論卻認(rèn)為:盡管矩陣變頻器具有非常誘人的前景，但是由于成本太高而無(wú)法在目前進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用。

　　早期的矩陣變換器研究

　　矩陣變換器的電路拓?fù)湫问皆?976年由L.Gyllglli提出，1979年意大利學(xué)者M(jìn).Venturini和A.Alesina首先提出了由9個(gè)功率開關(guān)組成的矩陣式交-交變換器結(jié)構(gòu)，并指出矩陣式變換器的輸入功率因素角是可以任意調(diào)節(jié)的，但后來(lái)發(fā)現(xiàn)這種變換器存在固有極限，最大電壓增益為0.866，并且與控制算法無(wú)關(guān)。他們首次系統(tǒng)地給出了矩陣式變換器低頻特性的數(shù)學(xué)分析，并且提出了“低頻調(diào)制矩陣”的概念。同時(shí)，他們提出了一種矩陣式變換器的調(diào)制算法，被稱為“直接傳遞函數(shù)”方法。

　　1983年J.Rogriguez將矩陣式變換器在理論上等效為一個(gè)整流器和逆變器的虛擬連接，并將傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制(pwm)技術(shù)分別應(yīng)用于“虛擬整流器”和“虛擬逆變器”上，對(duì)雙向開關(guān)進(jìn)行調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)能量的傳輸和回饋，這種方法也被稱為“間接傳遞函數(shù)”方法。

　　矩陣變換器要求大容量和高速開關(guān)頻率并具有雙向關(guān)斷能力的功率器件，同時(shí)還要求具有快速處理能力的微處理器作為控制單元，而這些是早期的工藝和技術(shù)水平所難以達(dá)到的。因此，早期的矩陣變換器的研究大都處于理論研究階段，很少有面向工業(yè)實(shí)際的研究。

　　矩陣變換器方案改進(jìn)

　　隨著電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，矩陣變換器的研究工作越來(lái)越被人們所重視，為了解決M.Venturini和A.Alesina控制方案中的不足，先后有不少學(xué)者對(duì)矩陣變換器進(jìn)行了一系列的研究工作，并從不同的角度提出了不同的控制方案。如美國(guó)學(xué)者T.A.Lipo、D.G.Holemes提出了一種電流控制型交流PWM調(diào)制方法，該方法根據(jù)變換器的開關(guān)傳遞函數(shù)矩陣由電流連續(xù)條件，將其分解為若干矩陣分量，通過(guò)分別計(jì)算，最后合成得到的調(diào)制矩陣。P.D.Ziogas等提出了種間接PWM控制方法，其總體思路是首先將輸入電壓“整流”，產(chǎn)生一個(gè)虛擬的直流回路，然后按需要的頻率逆變，從而得到一個(gè)類似于典型的PWM逆變器的輸出電壓波形。這些研究基本克服了M.Venturini控制方案的缺點(diǎn)，輸出電壓比、功率因數(shù)和輸入電流品質(zhì)方面都取得了很好的改進(jìn)，但也存在一些不足之處，如P.D.Ziogas的方案輸出頻率限制在300Hz以下、某些方案的效率不夠高等缺點(diǎn)。

　　矩陣變換器技術(shù)成熟

　　80年代末、90年代初，南斯拉夫?qū)W者L.Huber和美國(guó)D.Boroievic教授、日本學(xué)者A.Ishiguro和T.Furuhashi教授、以及韓國(guó)學(xué)者W.H.Kwon和G.H.Cha等人的研究，使矩陣變換器的理論和控制技術(shù)逐漸走向成熟。

　　L.Huber和D.Boroievic提出了一種基于空間矢量調(diào)制技術(shù)的PWM技術(shù)，首先根據(jù)矩陣變換器的PWM的開關(guān)狀態(tài)，定義出六邊形開關(guān)狀態(tài)矢量圖，然后按輸出矢量在任意時(shí)刻由其相鄰的開關(guān)狀態(tài)矢量合成，得到每一采樣周期的開關(guān)占空比。連續(xù)合成一定角速度旋轉(zhuǎn)的輸出電壓矢量，就獲得所需要的頻率和正弦輸出電壓。通過(guò)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)帶三相感應(yīng)電機(jī)作為負(fù)載運(yùn)行，證明了采用空間矢量調(diào)制法的矩陣變換器與理論分析相一致。即具有輸入功率因數(shù)逼近于1，輸入電流波形好等優(yōu)點(diǎn)。M.braun和J.Rodriguez分別于1983年和1985年提出了將空間矢量脈寬調(diào)制(svpwm)應(yīng)用于矩陣式變換器控制的方法，在這些研究的基礎(chǔ)上，L.Huber和D.Borojevic于1989年至1995年間，發(fā)表了一系列矩陣式變換器的研究結(jié)果。

　　A.Ishiguro和T.Furuhashi提出的雙線電壓瞬時(shí)值法。其實(shí)質(zhì)即任一時(shí)刻輸出電壓為兩個(gè)輸入線電壓合成，而兩輸入線電壓在每一周期的占空比由輸出電壓的瞬時(shí)值及輸入電壓的狀態(tài)決定。該種技術(shù)在改善對(duì)變換器開關(guān)頻率的限制，提高輸出輸入電壓比等方面有其獨(dú)到之處。當(dāng)輸入電源不對(duì)稱或含有諧波時(shí)，其控制函數(shù)可以自動(dòng)修正，而不需要額外的計(jì)算，有利于實(shí)時(shí)控制。但該種控制方案使得輸入功率因數(shù)不可隨意控制，但能固定在基本恒定值上。同時(shí)這種開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過(guò)程和輸入電流的合成規(guī)律較為復(fù)雜，在軟件實(shí)現(xiàn)上較為復(fù)雜。

　　韓國(guó)學(xué)者W.H.Kwon和G.H.Cha對(duì)假設(shè)MC由非理想電流源和電壓源組成，利用DQ電路變換技術(shù)對(duì)實(shí)用升壓九開關(guān)MC的動(dòng)、靜態(tài)特性進(jìn)行了分析，為MC的分析提供了有效的方法。通過(guò)理論分析和仿真，他們證明了升壓式矩陣變換器不能像其它的理想變換器那樣通過(guò)選擇參數(shù)獨(dú)立控制，功率因數(shù)并不總保持1，但可以控制。

　　1989年，N.Burany提出了一種四步換流策略，可實(shí)現(xiàn)半軟開關(guān)換流，將兩個(gè)雙向開關(guān)之間的換流過(guò)程根據(jù)電壓相對(duì)大小或電流方向信號(hào)分為四步進(jìn)行，有效地避免了換流過(guò)程中的短路和斷路故障，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的安全換流。此后，M.Ziegler和W.Hoffmann于1998年提出了矩陣式變換器“兩步換流”方式，進(jìn)一步縮短了雙向開關(guān)的換流時(shí)間。同時(shí)，J.Clare、P.Wheeler和L.Empringham也于1998年將可編程邏輯器件(pld)技術(shù)用于雙向開關(guān)的換流控制，提出了矩陣式變換器的“智能換流”方式，根據(jù)檢測(cè)到的電流方向信號(hào)和開關(guān)通斷狀態(tài)利用時(shí)序邏輯確定換流步驟。J.Mahlein在2002年提出了改進(jìn)的多步換流控制策略，省去了專門的輸入電壓或輸出電流方向檢測(cè)電路。LixiangWei和T.Lipo也在2003年提出了專用于矩陣式變換器的電壓換流方式。這些換流策略的應(yīng)用，基本上實(shí)現(xiàn)了雙向開關(guān)的安全運(yùn)行，為矩陣式變換器應(yīng)用到實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中掃清了障礙。

　　矩陣變換器產(chǎn)業(yè)探索

　　矩陣變換器從1976年提出到現(xiàn)在30年的時(shí)間了,國(guó)外已有不少文獻(xiàn)提出矩陣變換器的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，但是還沒(méi)有真正進(jìn)入實(shí)用的報(bào)道。

　　1992年，我國(guó)教授莊心復(fù)作為訪問(wèn)學(xué)者在美國(guó)弗吉尼亞電力電子中心采用空間矢量調(diào)制法分析直-交和交-直變換器，合成后求得交-交變換器的調(diào)制方法，并以一臺(tái)32位數(shù)字信號(hào)處理器TMS32014作為控制器，設(shè)計(jì)并制作了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。

　　1994年弗吉尼亞電力電子中心年會(huì)上展出了輸入端具有功率因數(shù)校正（PFC）的三相--三相矩陣變換器，該變換器采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）實(shí)現(xiàn)空間矢量調(diào)制，最大輸出2kW，開關(guān)頻率20kHz，用MOSFET器件，負(fù)載為2kW的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，輸入端功率因數(shù)為0.99，輸出電壓、輸入電流均為正弦。1995～1996年，Peter．Nilsen在他的博士論文中，以SIEMENSC166為控制器做出了試驗(yàn)裝置，對(duì)矩陣式變換器的外圍電路進(jìn)行了一系列研究。1998～1999年、1999～2000年，Christan兩次作為訪問(wèn)學(xué)者在美國(guó)也研究出了一套裝置，并對(duì)輸入電壓不平衡時(shí)，人工負(fù)載下矩陣式變換器的控制策略進(jìn)行了研究。

　　最近10年，由于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)的發(fā)展，矩陣式變換器的實(shí)用化進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。2001年，歐洲的EUPEC公司研制成功了專用的矩陣式變換器開關(guān)矩陣模塊，開關(guān)器件采用了35A的IGBT和快恢復(fù)二極管，大大地減小了電路的體積，提高了抗干擾能力，并降低了換流控制的難度。德國(guó)西門子公司在2001年提出了一整套適用于工業(yè)傳動(dòng)控制領(lǐng)域的矩陣式變換器解決方案。丹麥Aalborg大學(xué)電力電子研究中心多年來(lái)一直致力于矩陣式變換器的研究與開發(fā)，在2002年研制了適用于工業(yè)生產(chǎn)的矩陣式變換器樣機(jī)。日本富士電機(jī)公司也在2003年開發(fā)出了適用于矩陣式變換器的逆阻式IGBT模塊，并于2004年利用該模塊試制成功了22kW矩陣式變換器樣機(jī)。日本安川電機(jī)公司在2004年4月在漢諾威國(guó)際展覽會(huì)上展示了即將生產(chǎn)的矩陣變頻器的原型，在安川矩陣變頻器中有9個(gè)開關(guān)，每一個(gè)都有2個(gè)IGBT雙向開關(guān)組成，能允許正向電壓和負(fù)相電壓通到電機(jī)上，其容量覆蓋5.5~22kW，最終計(jì)劃達(dá)到75kW。英國(guó)Nottingham大學(xué)的研究人員在2004年成功地開發(fā)了一臺(tái)150kVA矩陣式變換器驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。但非�？上У氖�，至盡還沒(méi)有一個(gè)變頻器企業(yè)批量生產(chǎn)矩陣變頻器。

　　我國(guó)矩陣變換器研究

　　我國(guó)在矩陣變換器方面的研究開始的較晚，基本上從90年代開始，南京航空航天大學(xué)、西安交通大學(xué)、上海大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)先后開展了這方面的研究工作，取得了令人矚目的成績(jī)，達(dá)到了一定的水平。

　　1994年，南京航空航天大學(xué)莊心復(fù)教授把矩陣變換器介紹給國(guó)內(nèi)同行后，陸續(xù)有高校開展矩陣變換器的研究。

　　1997年，南京航空航天大學(xué)莊心復(fù)、穆新華在國(guó)內(nèi)刊物上介紹了一般意義上的n×m型矩陣式變換器的拓?fù)湫问郊半p向開關(guān)的構(gòu)成，分析了基于瞬時(shí)電壓調(diào)制技術(shù)的三相AC-AC矩陣式變換器的開關(guān)狀態(tài)和控制規(guī)律。

　　1998年，上海大學(xué)的陳伯時(shí)、陸�；鄣韧ㄟ^(guò)把矩陣變換器等效為交-直-交變換器利用逆變器中廣泛采用的空間矢量PWM調(diào)制技術(shù)，并利用80C196KC作為控制器，以IGBT作為開關(guān)器件，采用四步換流的方法，成功的制作出了三相交-交矩陣變換器的實(shí)驗(yàn)裝置。

　　1999～2000年，福州大學(xué)湯寧平、方旭陽(yáng)、邱培基分析和推導(dǎo)了三相矩陣式變換器在電流滯環(huán)跟蹤控制方式下的開關(guān)函數(shù)，并提出了變換器控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，取得了三相感性負(fù)載條件下的電流波形和頻譜分析等實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并試制成功了一臺(tái)恒頻采樣電流跟蹤控制型矩陣式變換器樣機(jī)，作為交流勵(lì)磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁器。

　　2000年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的陳希有，陳學(xué)允將Park變換技術(shù)應(yīng)用到基于空間矢量調(diào)制的矩陣變換器中，建立了矩陣變換器的線形定常等效電路模型，得到了輸入電流、功率因素、電壓增益、輸出阻抗等性能指標(biāo)的解析表達(dá)式。并用此模型分析了帶有輸入濾波的矩陣變換器的暫態(tài)響應(yīng)特性。同時(shí)推導(dǎo)了響應(yīng)的伴隨網(wǎng)絡(luò)模型，用伴隨網(wǎng)絡(luò)法分析了電壓增益的靈敏度。

　　2001年，清華大學(xué)黃立培教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組開始針對(duì)矩陣式變換器及其在高性能交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。分別采用IGBT單管模塊、逆阻式IGBT、智能功率模塊(IPM)設(shè)計(jì)開發(fā)了3臺(tái)三相－三相矩陣式變換器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并研制了1臺(tái)采用逆阻式IGBT的三相－單相矩陣式變換器樣機(jī)。

　　2002年，王毅、陳希有、徐殿國(guó)提出了一種基于雙電壓合成的矩陣式變換器閉環(huán)控制方法，根據(jù)矩陣式變換器的實(shí)際輸出電壓與期望輸出電壓的偏差，計(jì)算電壓的實(shí)際占空比與理想占空比的偏差，并將此偏差作為負(fù)反饋加到下一采樣周期的占空比中，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

　　此外，2001年，華中科技大學(xué)也提出了一種新型的三相—三相的矩陣式變換器。2002年，浙江大學(xué)的賀益康等提出了矩陣變換器在風(fēng)力發(fā)電方面的應(yīng)用，2003年，湘潭大學(xué)朱建林等開始研究提高矩陣變換器電壓傳輸比。西安交通大學(xué)的王汝文等，通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出矩陣變換器調(diào)制函數(shù)的通解形式，從而可以從不同的角度反映變換器的傳輸性能，可以按實(shí)際系統(tǒng)所需要的變換和傳輸要求，對(duì)開關(guān)調(diào)制規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化，通斷時(shí)間算法也比原有的簡(jiǎn)單。

　　目前矩陣變換器的研究熱點(diǎn)主要在兩個(gè)方面：（1）在理論研究方面，繼續(xù)探討電壓傳輸比的提高和新型調(diào)制策略，還可以結(jié)合智能控制的有關(guān)理論，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等進(jìn)行研究；（2）在實(shí)際應(yīng)用研究方面是將其實(shí)用化和工業(yè)化，例如可靠換流實(shí)現(xiàn)及保護(hù)、雙向開關(guān)的實(shí)現(xiàn)與封裝以及輸入濾波器的設(shè)計(jì)等。

　　總的來(lái)看，矩陣式變換器是隨著電路電子技術(shù)的發(fā)展而不斷的發(fā)展，但目前國(guó)內(nèi)矩陣式變換器的研制還停留在理論研究和實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)階段，尚未形成實(shí)用化的成熟產(chǎn)品。

　　矩陣式交—交變頻器作為一種具有優(yōu)良控制性能和發(fā)展前途的新型變頻電源。它的研究工作在國(guó)內(nèi)外引起了廣泛的重視，己經(jīng)取得了較大的成果。雖然矩陣式變換器依然存在很多的問(wèn)題有待進(jìn)一步解決如輸出電壓傳輸比低是矩陣式變換器存在的主要缺點(diǎn)；如IGBT成本較高、控制電路較復(fù)雜，適合用于大功率的應(yīng)用場(chǎng)合。然而，矩陣變換器可以在變頻調(diào)速中的應(yīng)用研究既可產(chǎn)生節(jié)能的重大經(jīng)濟(jì)效益，又避免了因諧波污染帶來(lái)電力系統(tǒng)環(huán)保問(wèn)題，是一種“綠色”的變換器。隨著研究的不斷深入，電力電子器件和應(yīng)用技術(shù)以及微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，控制理論的日益完善，成本的不斷降低，矩陣式變換器必將以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在未來(lái)產(chǎn)品化方面形成優(yōu)勢(shì)，日益接近實(shí)用化。