多年來，電氣傳動專家一直都在討論關于“矩陣變換”技術的變頻器是否會成為下一代變頻器。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，也能提供一個清潔的輸出電壓，也就是說“可以有效地進行輸入電源電流控制與輸出電壓控制”。它能實現(xiàn)功率因數(shù)為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統(tǒng)的功率密度大，并能實現(xiàn)輕量化。另外一個吸引點就是矩陣變頻器去掉了直流電容，矩陣變頻器就能長時間可靠工作。幾個主要的傳動供應商包括安川、富士、羅克韋爾、西門子等都積極地研究了該項技術。然而輿論卻認為: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法在目前進行商業(yè)化應用。

　　早期的矩陣變換器研究

　　矩陣變換器的電路拓撲形式在1976年由L.Gyllglli提出，1979年意大利學者M.Venturini和A.Alesina首先提出了由9個功率開關組成的矩陣式交-交變換器結構，并指出矩陣式變換器的輸入功率因素角是可以任意調節(jié)的，但后來發(fā)現(xiàn)這種變換器存在固有極限，最大電壓增益為0.866，并且與控制算法無關。他們首次系統(tǒng)地給出了矩陣式變換器低頻特性的數(shù)學分析，并且提出了“低頻調制矩陣”的概念。同時，他們提出了一種矩陣式變換器的調制算法，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整流器和逆變器的虛擬連接，并將傳統(tǒng)的脈寬調制(pwm)技術分別應用于“虛擬整流器”和“虛擬逆變器”上，對雙向開關進行調制，從而實現(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頻率并具有雙向關斷能力的功率器件，同時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水平所難以達到的。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)實際的研究。

　　矩陣變換器方案改進

　　隨著電力電子技術和微機控制技術的不斷發(fā)展，矩陣變換器的研究工作越來越被人們所重視，為了解決M.Venturini和A.Alesina控制方案中的不足，先后有不少學者對矩陣變換器進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。如美國學者T.A.Lipo、D.G.Holemes提出了一種電流控制型交流PWM調制方法，該方法根據(jù)變換器的開關傳遞函數(shù)矩陣由電流連續(xù)條件，將其分解為若干矩陣分量，通過分別計算，最后合成得到的調制矩陣。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)生一個虛擬的直流回路，然后按需要的頻率逆變，從而得到一個類似于典型的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，輸出電壓比、功率因數(shù)和輸入電流品質方面都取得了很好的改進，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。

　　矩陣變換器技術成熟

　　80年代末、90年代初，南斯拉夫學者L.Huber和美國D.Boroievic教授、日本學者A.Ishiguro和T.Furuhashi教授、以及韓國學者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逐漸走向成熟。

　　L.Huber和D.Boroievic提出了一種基于空間矢量調制技術的PWM技術，首先根據(jù)矩陣變換器的PWM的開關狀態(tài)，定義出六邊形開關狀態(tài)矢量圖，然后按輸出矢量在任意時刻由其相鄰的開關狀態(tài)矢量合成，得到每一采樣周期的開關占空比。連續(xù)合成一定角速度旋轉的輸出電壓矢量，就獲得所需要的頻率和正弦輸出電壓。通過實驗樣機帶三相感應電機作為負載運行，證明了采用空間矢量調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。M.braun和J.Rodriguez分別于1983年和1985年提出了將空間矢量脈寬調制(svpwm)應用于矩陣式變換器控制的方法，在這些研究的基礎上，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果。

　　A.Ishiguro和T.Furuhashi提出的雙線電壓瞬時值法。其實質即任一時刻輸出電壓為兩個輸入線電壓合成，而兩輸入線電壓在每一周期的占空比由輸出電壓的瞬時值及輸入電壓的狀態(tài)決定。該種技術在改善對變換器開關頻率的限制，提高輸出輸入電壓比等方面有其獨到之處。當輸入電源不對稱或含有諧波時，其控制函數(shù)可以自動修正，而不需要額外的計算，有利于實時控制。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。同時這種開關狀態(tài)的轉換過程和輸入電流的合成規(guī)律較為復雜，在軟件實現(xiàn)上較為復雜。

　　韓國學者W.H.Kwon和G.H.Cha對假設MC由非理想電流源和電壓源組成，利用DQ電路變換技術對實用升壓九開關MC的動、靜態(tài)特性進行了分析，為MC的分析提供了有效的方法。通過理論分析和仿真，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選擇參數(shù)獨立控制，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，可實現(xiàn)半軟開關換流，將兩個雙向開關之間的換流過程根據(jù)電壓相對大小或電流方向信號分為四步進行，有效地避免了換流過程中的短路和斷路故障，實現(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，進一步縮短了雙向開關的換流時間。同時，J.Clare、P.Wheeler和L.Empringham也于1998年將可編程邏輯器件(pld)技術用于雙向開關的換流控制，提出了矩陣式變換器的“智能換流”方式，根據(jù)檢測到的電流方向信號和開關通斷狀態(tài)利用時序邏輯確定換流步驟。J.Mahlein在2002年提出了改進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。這些換流策略的應用，基本上實現(xiàn)了雙向開關的安全運行，為矩陣式變換器應用到實際工業(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年的時間了,國外已有不少文獻提出矩陣變換器的實驗樣機，但是還沒有真正進入實用的報道。

　　1992年，我國教授莊心復作為訪問學者在美國弗吉尼亞電力電子中心采用空間矢量調制法分析直-交和交-直變換器，合成后求得交-交變換器的調制方法，并以一臺32位數(shù)字信號處理器TMS32014作為控制器，設計并制作了一臺實驗樣機。

　　1994年弗吉尼亞電力電子中心年會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)字信號處理器（DSP）實現(xiàn)空間矢量調制，最大輸出2kW，開關頻率20kHz，用MOSFET器件，負載為2kW的感應電動機，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裝置，對矩陣式變換器的外圍電路進行了一系列研究。1998～1999年、1999～2000年，Christan兩次作為訪問學者在美國也研究出了一套裝置，并對輸入電壓不平衡時，人工負載下矩陣式變換器的控制策略進行了研究。

　　最近10年，由于功率半導體器件技術的發(fā)展，矩陣式變換器的實用化進入了一個嶄新的階段。2001年，歐洲的EUPEC公司研制成功了專用的矩陣式變換器開關矩陣模塊，開關器件采用了35A的IGBT和快恢復二極管，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。德國西門子公司在2001年提出了一整套適用于工業(yè)傳動控制領域的矩陣式變換器解決方案。丹麥Aalborg大學電力電子研究中心多年來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。日本富士電機公司也在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。日本安川電機公司在2004年4月在漢諾威國際展覽會上展示了即將生產(chǎn)的矩陣變頻器的原型，在安川矩陣變頻器中有9個開關，每一個都有2個IGBT雙向開關組成，能允許正向電壓和負相電壓通到電機上，其容量覆蓋5.5~22kW，最終計劃達到75kW。英國Nottingham大學的研究人員在2004年成功地開發(fā)了一臺150kVA矩陣式變換器驅動異步電機傳動系統(tǒng)。但非�？上У氖�，至盡還沒有一個變頻器企業(yè)批量生產(chǎn)矩陣變頻器。

　　我國矩陣變換器研究

　　我國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、西安交通大學、上海大學、哈爾濱工業(yè)大學先后開展了這方面的研究工作，取得了令人矚目的成績，達到了一定的水平。

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

　　1997年，南京航空航天大學莊心復、穆新華在國內(nèi)刊物上介紹了一般意義上的n×m型矩陣式變換器的拓撲形式及雙向開關的構成，分析了基于瞬時電壓調制技術的三相AC-AC矩陣式變換器的開關狀態(tài)和控制規(guī)律。

　　1998年，上海大學的陳伯時、陸�；鄣韧ㄟ^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調制技術，并利用80C196KC作為控制器，以IGBT作為開關器件，采用四步換流的方法，成功的制作出了三相交-交矩陣變換器的實驗裝置。

　　1999～2000年，福州大學湯寧平、方旭陽、邱培基分析和推導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函數(shù)，并提出了變換器控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，取得了三相感性負載條件下的電流波形和頻譜分析等實驗結果，并試制成功了一臺恒頻采樣電流跟蹤控制型矩陣式變換器樣機，作為交流勵磁感應發(fā)電機的勵磁器。

　　2000年，哈爾濱工業(yè)大學的陳希有，陳學允將Park變換技術應用到基于空間矢量調制的矩陣變換器中，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的解析表達式。并用此模型分析了帶有輸入濾波的矩陣變換器的暫態(tài)響應特性。同時推導了響應的伴隨網(wǎng)絡模型，用伴隨網(wǎng)絡法分析了電壓增益的靈敏度。

　　2001年，清華大學黃立培教授領導的課題組開始針對矩陣式變換器及其在高性能交流調速系統(tǒng)中的應用進行研究。分別采用IGBT單管模塊、逆阻式IGBT、智能功率模塊(IPM)設計開發(fā)了3臺三相－三相矩陣式變換器實驗樣機，并研制了1臺采用逆阻式IGBT的三相－單相矩陣式變換器樣機。

　　2002年，王毅、陳希有、徐殿國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)矩陣式變換器的實際輸出電壓與期望輸出電壓的偏差，計算電壓的實際占空比與理想占空比的偏差，并將此偏差作為負反饋加到下一采樣周期的占空比中，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

　　此外，2001年，華中科技大學也提出了一種新型的三相—三相的矩陣式變換器。2002年，浙江大學的賀益康等提出了矩陣變換器在風力發(fā)電方面的應用，2003年，湘潭大學朱建林等開始研究提高矩陣變換器電壓傳輸比。西安交通大學的王汝文等，通過數(shù)學推導得出矩陣變換器調制函數(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，可以按實際系統(tǒng)所需要的變換和傳輸要求，對開關調制規(guī)律進行優(yōu)化，通斷時間算法也比原有的簡單。

　　目前矩陣變換器的研究熱點主要在兩個方面：（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制策略，還可以結合智能控制的有關理論，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、自適應控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制等進行研究；（2）在實際應用研究方面是將其實用化和工業(yè)化，例如可靠換流實現(xiàn)及保護、雙向開關的實現(xiàn)與封裝以及輸入濾波器的設計等。

　　總的來看，矩陣式變換器是隨著電路電子技術的發(fā)展而不斷的發(fā)展，但目前國內(nèi)矩陣式變換器的研制還停留在理論研究和實驗室樣機階段，尚未形成實用化的成熟產(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題有待進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；如IGBT成本較高、控制電路較復雜，適合用于大功率的應用場合。然而，矩陣變換器可以在變頻調速中的應用研究既可產(chǎn)生節(jié)能的重大經(jīng)濟效益，又避免了因諧波污染帶來電力系統(tǒng)環(huán)保問題，是一種“綠色”的變換器。隨著研究的不斷深入，電力電子器件和應用技術以及微機控制技術的發(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特的優(yōu)點在未來產(chǎn)品化方面形成優(yōu)勢，日益接近實用化。