矩陣式轉換器（一）：電力轉換技術的“救世主”，有望大幅實現小型及高效率化矩陣式轉換器（Matrix Converter）可將交流電直接轉換成振幅及頻率不同的交流電。與已有的逆變器相比，可實現小型化和高效率化，并可提高可靠性等。本文將為大家介紹矩陣式轉換器的特點以及電路構成。 （山下 勝己） 可將直流電轉換為交流電的逆變器*，在驅動馬達的裝置中已廣泛普及，為電子設備的節(jié)能做出了貢獻。特別是冷卻扇以及泵等設備，雖然節(jié)能效果取決于運轉模式，但與不采用逆變器時相比，采用逆變器可獲得50～80％的巨大節(jié)能效果。然而，要想使逆變器更加普及，還存在著3個必須解決的問題。即：第一，外形尺寸太大；第二，成本太高；第三，過多地產生高次諧波電流。 *逆變器＝將直流電轉換為交流電的電源電路。從學術角度，只有將直流電轉換為交流電的主電路才被稱為逆變器。然而在產業(yè)界，常常將交流輸入所需的二極管整流器及PWM整流器與主電路組合而成的整個裝置稱為逆變器。本文中的逆變器為后者。 矩陣式轉換器是一項因為有望解決上述問題、所以近年來開始受到關注的技術。采用該技術能將交流電直接轉換成頻率不同的交流電。不需要經過轉換成直流電這一步，所以，轉換過程中無需大容量的電解電容器。因此，與以往的逆變器相比，不僅可大幅實現小型化及高效率化，還有望降低高次諧波電流。不過，目前還存在著成本較高的問題。 本連載將從矩陣式轉換器的基礎到應用，分多章進行詳細介紹。本文將指出以往的逆變器存在的問題，并以相互對比的方式介紹矩陣式轉換器的特點及電路構成。 逆變器的原理及電路構成 在開始介紹矩陣式轉換器之前，首先回顧一下有關逆變器的知識。逆變器通常是采用6個IGBT（Isolated Gate Bipolar Transistor）*等功率晶體管、將直流電轉換為交流電的電路。圖1（a）為逆變器的主電路。由于功率晶體管在飽和區(qū)使用，因而不妨將其視為一種純粹的開關元件。通過圖1（b）所示的模式切換開關元件的開和關，將直流電轉換成交流電，同時對交流電的頻率進行控制。 *IGBT＝絕緣柵型雙極晶體管。是用于能量控制的半導體開關元件之一。多用于逆變器以及DC-DC轉換器。IGBT是在柵極部位嵌入了MOSFET的雙極晶體管，通過MOSFET來控制晶體管的動作。同樣用途的功率MOSFET大都用于數百V的低壓設備上，IGBT則適用于耐壓高達數百kV以上的設備。
在此先介紹一下交流電電壓振幅的控制方法。在圖1（a）中，如果將開關元件的Sup及Svn置為“開”，則在U相與V相的線間電壓Vuv中振幅會產生Edc正電壓，如果將Sun及Ssp置為“開”，則振幅會產生Edc負電壓。Sup及Svp、或者Sun及Svn為“開”時，U相與V相的線間電壓Vuv的振幅為零。由于在圖1（b）的開關模式（Switching Pattern）中輸出電壓的振幅通過Edc被固定住，因而不能對輸出電壓的振幅自由地進行控制。（未完待續(xù)，特邀撰稿人：伊東 淳一，日本長岡技術科學大學） 矩陣式轉換器（二）：提高效率與抑制高次諧波電流難以兼顧 因此，如圖1（c）所示的那樣，以數k～數十kHz的頻率切換開關元件的開和關來逐漸改變脈沖寬度，以控制輸出電壓的振幅。這就是脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation：PWM）控制。另一方面，交流電的頻率控制則通過調整圖1（b）及圖1（c）的動作周期來實現。
上述內容可以歸納為以下的公式。以逆變器直流元件的中點電位（即零電位）為基準，假設相電壓為Vum、電解電容器的端子電壓為E、開關元件Sup的占空比（在1個周期中“開”期間所占的比率）為Dup、Sun的占空比為Dun，則交流輸出電壓可通過公式（1）求得。
但是，如果串聯(lián)連接的上下方開關元件同時開或者關，則會引發(fā)短路或者電路斷開，從而產生巨大的浪涌電流及浪涌電壓，有可能會破壞負荷。因此，必須確保以下關系的成立
如果在考慮到這種關系再來觀察公式（1）就會發(fā)現，隨著Dup及Dun的值不同，輸出電壓有時為正、有時為負。另外還可發(fā)現，輸出電壓以E/2為最大值，在此數值以下的范圍內可任意進行控制。 提高效率與抑制高次諧波電流難以兼顧
包含在輸入電流中的高次諧波電流，相當于一種公害物質。這種高次諧波電流如果流出到與逆變器相連的電力系統(tǒng)中，則會導致無功補償電容器*過熱，有時甚至破損。害處還不只是這些。如果電流中含有太多的高次諧波電流，由于電源阻抗導致的電壓下降的影響，在所連接負荷的受電端，電壓波形會產生較大的變形（圖3）。其結果是，引發(fā)熒光燈的閃爍、電源變壓器及馬達的噪聲以及馬達的轉矩脈動（Torque Ripple）*等問題。（未完待續(xù)。特邀撰稿人：伊東 淳一，日本長岡技術科學大學） *無功補償電容器＝利用電容器中交流電的相位超前90度的現象，來消除感應性負荷導致的相位滯后的裝置。在電力公司的電力系統(tǒng)中經常采用。 *轉矩脈動＝馬達中產生的扭矩變動。如果轉矩脈動比較大，則會產生馬達的頻率顫動等。
矩陣式轉換器（三）：導入PWM整流器的優(yōu)缺點
作為減少二極管整流器所產生的高次諧波電流的方法，通常在二極管整流器與電解電容器之間插入直流扼流圈。然而，僅憑插入直流扼流圈，輸入電流還不能形成為規(guī)則的正弦波。事實上，會形成方形波狀的輸入電流（圖4）。當然，與插入直流扼流圈之前相比，高次諧波電流有所減少，但根據逆變器的輸出電力容量不同，有時并不能滿足IEC及JIS等的高次諧波電流規(guī)定。 為此，取代二極管整流器與直流扼流圈的組合，開始越來越多地采用如圖5所示的PWM整流器（有時也被稱為再生轉換器或者電源轉換器）。PWM整流器與逆變器的主電路一樣，由6個開關元件（IGBT）構成。另外，通過對各開關元件的“開”“關”時間進行控制，使輸入電流的波形接近于正弦波。與采用直流扼流圈時相比，可大幅抑制輸入電流的高次諧波成分。也就是說，可得到極其接近于正弦波的輸入電流波形。 除此之外，PWM整流器還有其他好處。即：馬達的工作模式切換到發(fā)電模式時的節(jié)能效果得到提高。在二極管整流器中，由于不能將發(fā)電機所生成的能量回送到輸入端，因而，能量通過電阻及制動斬波器（Brake Chopper）被強制性消耗掉。而在PWM整流器中，如果對開關元件的“開”“關”時間進行控制，則可將能量回送給輸入端。因此，可提高節(jié)能效果。
但是，PWM整流器有一個很大的缺點。即正常運轉時的電力轉換次數，在PWM整流器及逆變器的主電路中各為1次，合計為2次。這樣的結果是，逆變器整體的轉換效率會下降。 平滑電容器的使用壽命變短 另外，還有逆變器整體的成本上升、以及外形尺寸增大等缺點。特別是外形尺寸的問題，起因是由于PWM整流器中必需嵌裝非常大的部件。這個部件就是對于交流輸入電力的升壓不可或缺的扼流圈（升壓扼流圈）。雖然可以采用小型的升壓扼流圈，但電感（Inductance）會減小，短路電流增加，從而使PWM整流器的控制穩(wěn)定性下降。因此，采用大小為逆變器整體體積的3～10％的升壓用扼流圈的做法較為常見。這一尺寸達到了必需插入二極管整流器前段的濾波器用扼流圈的3～10倍。（未完待續(xù)，特邀撰稿人：伊東 淳一，日本長岡技術科學大學） 矩陣式轉換器（四）：平滑電容器的使用壽命變短 PWM整流器的缺點還可說出兩個。一個是置于直流元件內的濾波大容量電解電容器中流通的紋波電流，比采用二極管整流器及直流扼流圈時增大了2倍。通常，電解電容器的使用壽命較短，并且具有工作溫度越高則使用壽命越短的傾向。隨著紋波電流的增大，發(fā)熱量增加，因而電解電容器的性能會迅速下降。因此，需要以更高的頻度進行維修。
另一個缺點是，為了防止起動時流入大容量電解電容器的沖擊電流，必須備有由電阻及繼電器（或者是半導體開關）組成的初始充電電路。這條電路不僅使逆變器的啟動程序變得復雜，還會妨礙逆變器的小型化。 如果導入了逆變器，不僅可獲得較高的節(jié)能效果，還可根據負荷的工作狀態(tài)將馬達控制在最佳狀態(tài)。然而，要想進一步擴展逆變器的普及范圍，解決本文開頭提到的外形尺寸、成本以及高次諧波電流這3個問題的技術性突破也許不可或缺。 產業(yè)用馬達中逆變器的采用率，目前只有大約20％。換句話說，80％的馬達是在沒有實行優(yōu)化控制的情況下工作的。在沒有采用逆變器的這80％的馬達中，有50％是在一定負荷、一定轉速下保持運轉，因而不需要通過逆變器進行控制。然而，其余的30％的馬達如果采用逆變器，就能獲得相當大的節(jié)能效果。也就是說，有望降低CO2的排放量。假如剩余的30％的馬達全都采用逆變器，那么逆變器的市場規(guī)模將擴大到目前的約2.5倍。 將開關元件按格子狀配置 逆變器既有許多優(yōu)點，也存在許多缺點。作為一種可解決這些缺點的電源技術，目前矩陣式轉換器受到了巨大關注。矩陣式轉換器是一種直接將交流電轉換成振幅及頻率不同的交流電的電源電路。雖然一概而論地稱之為矩陣式轉換器，但按照電路構造的差異，可分為多個種類。
最常見的電路構造如圖6（a）所示。這是一種支持輸入為3相交流電、輸出為3相交流電（3相輸入3相交流）的電路。以格子狀配置了9個開關元件，通過對開關元件的“開”“關”時間進行控制，從而將交流電轉換成振幅及頻率不同的交流電。由于開關元件以格子狀進行配置，因而被冠以“矩陣”的名稱。（未完待續(xù)，特邀撰稿人：伊東 淳一，日本長岡技術科學大學） 矩陣式轉換器（五）：2個相的線間電壓視為直流 除此之外，還有支持輸入為3相交流、輸出為單相交流（3相輸入單相輸出）的電路，以及支持輸入為單相交流、輸出為3相交流（單相輸入3相輸出）的電路等。其中，近年來開始廣受關注的電路是間接矩陣式轉換器（圖6（b））。這是一種將3相輸入單相輸出的矩陣式轉換器與單相輸入3相輸出的矩陣式轉換器組合在一起，將連接部從單相交流改為直流的電路。
這種電路的優(yōu)點是，由于可利用現有逆變器主電路中采用的電子部件，因而可以較低的成本進行制造。具體來說，作為開關元件使用的IGBT模塊、以及驅動IGBT的高耐壓IC都可加以利用。另外，還具有保護電路的結構比較簡單、可簡化開關元件的切換程序（換流）等優(yōu)點。不過，如果與由9個開關元件構成的普通矩陣式轉換器相比，由于需要增加1個電力轉換元件，因而存在著轉換效率下降的缺點。 將2個相的線間電壓視為直流 圖6（a）所示的是由9個開關元件構成的矩陣式轉換器，下面來分析其動作原理。 輸出電壓與以往的逆變器一樣，是通過對輸入電壓的波形進行斬波（在PWM控制下進行斬波），獲得所需振幅及頻率的波形的。兩者的不同之處是，以往的逆變器對直流電壓進行斬波，而矩陣式轉換器則是對交流電壓進行斬波。不過，如果改變觀察角度來看，3相交流輸入電壓也可視為直流電壓。就是說，如果著眼于在某個瞬間線間電壓最大的2個相的話，盡管電壓振幅在不斷變化，但可將其作為直流電壓來對待。為了選擇線間電壓最高的2個相，需要有9個開關元件。 圖7為從矩陣式轉換器拔出的、與單相（U相）輸出有關的部分的電路圖。如果將3相交流輸入的各個相的交流電壓設為VR、VS、VT，將各開關元件SRU、SSU、STU的占空比分別設為DR、DS、DT，則U相的交流輸出電壓可通過公式（3）求得。不過，與逆變器一樣，在DR、DS、DT之間公式（4）的條件必須成立。
從公式（3）可以看出，如果對各開關元件的占空比DR、DS、DT進行控制，則可得到所需振幅的輸出電壓。 另一方面，通過對交流輸入電流進行斬波，也可獲得所需的輸入電流波形。雖然開關元件的占空比中有DR、DS、DT這3個變數，但由于受到公式（4）的限制，可進行任意設定的變數只有2個。因此，可以任意設定2個限制條件。矩陣式轉換器將其中之一的限制條件用于輸出電壓的控制，將另一個限制條件用于輸入電流的控制。
圖8為矩陣式轉換器的動作波形。由此圖可以看出，不僅可將輸出電壓控制為正弦波狀，也可將輸入電流控制為正弦波狀。另外，輸入電壓與輸入電流的相位幾乎同步。就是說，矩陣式轉換器可在功率因數無限接近于1的狀態(tài)下工作。 采用特殊開關元件 開關元件上可直接外加交流電壓。因此，不能采用普通的IGBT。如圖6（a）所示，要采用具備逆耐壓的反向阻斷型IGBT（Reverse Blocking IGBT：RB-IGBT）、或者是將普通IGBT與二極管這兩者的組合逆向串聯(lián)連接而成的交流開關元件。（未完待續(xù)，特邀撰稿人：伊東 淳一，日本長岡技術科學大學） 反向阻斷型IGBT＝也稱為逆阻型IGBT。是一種即使施加反偏壓也不會產生較大的漏電流、可確保逆耐壓特性的IGBT。普通IGBT不能確保逆耐壓特性。 矩陣式轉換器（六）：電力損失大幅減少 由于在任何情況下都必須在最佳時間對電流的流向進行控制，所以，平均每1個交流開關元件都需要2個半導體芯片。因此，所使用的半導體芯片的個數總共達到18個。這大大超過了PWM整流器與主電路組合而成的逆變器所需的12個半導體芯片的數量。然而，如果將續(xù)流二極管（Free Wheel Diode：FWD）*的個數也考慮在內，則PWM整流器與主電路組合而成的逆變器中半導體芯片數達到了24個。與此不同，由于矩陣式轉換器不使用續(xù)流二極管，因而只需要18個半導體芯片即可。因此，有望實現開關元件模塊的小型化及低成本化。
*續(xù)流二極管＝是指與開關元件并聯(lián)連接的二極管。感應性負荷停止時產生的感應電動勢所產生的電流通過該二極管流走，由此可防止開關元件破損。 有望實現逆變器的大幅小型化
優(yōu)點大體可分為6個方面。第1個是，與逆變器相比可實現大幅度的小型化。其理由有幾方面。作為最大的理由可舉出的是，由于可在不轉換為直流電的情況下將交流電轉換為振幅及頻率不同的交流電，因此，不再需要電解電容器等大型能量緩沖器（Energy Buffer）。電解電容器的體積非常大，隨著逆變器的用途及輸出電力容量的不同，會占整個裝置20～40％的體積。 另外，PWM整流器與主電路組合而成的逆變器必須外置升壓用扼流圈、濾波器用扼流圈以及濾波器用電容器，與此不同，矩陣式轉換器雖然必須外置濾波器用扼流圈及濾波器用電容器，但由于無需外置升壓用扼流圈，因而有助于實現小型化。而且，由于矩陣式轉換器本身內置濾波器用電容器的產品較多，因此，絕大多數情況下僅外置濾波器用扼流圈即可。 這樣一來其結果是，可以大幅減少采用矩陣式轉換器的馬達控制盤（裝置）的部件個數以及布線數。例如，設想有一個輸出電力容量為22kW的馬達控制盤，與采用逆變器的以往產品相比，盤的體積可減小到1/2左右。 第2個優(yōu)點是，上述矩陣式轉換器無需大容量的電解電容器，因此，轉換器本身的使用壽命有望延長，幾乎可不進行維修而正常運轉。還可在高溫環(huán)境下運轉。另外，由于啟動時不需要對電解電容器充電的初始充電電路，因此，啟動程序有望得到簡化。 電力損失將大幅減少 第3個優(yōu)點是，與PWM整流器和主電路組合而成的逆變器相比，可提高轉換效率。最大的理由是，由于電力轉換的次數只需1次，因此，從電源輸入直到向負荷輸出為止，所要通過的開關元件數減少。提高轉換效率的效果要取決于輸出電力容量的大小，假如有一個22kW的逆變器，如果將其換成矩陣式轉換器，則可將電力損失大幅降低1/2。（未完待續(xù)，特邀撰稿人：伊東 淳一，日本長岡技術科學大學） 矩陣式轉換器（七）：輸出振幅降至輸入振幅的86.6％ 第4個優(yōu)點是，能夠大幅減少高次諧波電流的發(fā)生量。而且，可在不使用直流扼流圈及PWM整流器等追加部件或者電路的情況下，滿足高次諧波電流的規(guī)定。之所以具有這一優(yōu)點的其理由如上所述，因為在控制輸出電壓的同時，還可對輸入電流波形進行控制。
第5個優(yōu)點是，由于從輸入端以及輸出端來看，電路構成為完全相同的形狀，因而可實現電力再生。當馬達切換到發(fā)電模式時，可在不產生多余的電力損失的情況下，在電源輸入端進行再生。 第6個優(yōu)點是，即使在輸出電力的頻率較低時，電流也不會集中流向一個開關元件。通常，當馬達啟動時以及伺服鎖定（Servo Lock）*時等輸出直流電、或者較低頻率的交流電時，逆變器會發(fā)生電流集中流向一個開關元件的現象。在這種情況下，由于開關元件的結（接合部位）溫度急劇上升，因而必須采取限制起始扭矩、增加逆變器的輸出電力容量等對策。 *伺服鎖定＝是指在伺服馬達中，在執(zhí)行反饋控制的情況下停止的狀態(tài)。在此狀態(tài)下，由于保存編碼器信息等原因，必須產生靜止扭矩。 而矩陣式轉換器即使輸出直流電，3相交流輸入電力的相位關系也會使得對應的開關元件發(fā)生改變，因此，不會出現電流集中流向一個開關元件的現象。其結果是，在相同芯片尺寸的開關元件中，可恒定地流過大量電流。換句話說，由于無需突發(fā)性地通過較大電流，因而可采用小型芯片。由此，可實現小型化以及成本降低。 輸出振幅降至輸入振幅的86.6％ 雖然矩陣式轉換器具備許多優(yōu)點，但也存在一些缺點。最大的缺點是，不具備升壓功能。因此，輸出電壓的振幅被限制為輸入電壓的86.6％。這是因為著眼于交流輸入電壓中的2相，將其線間電壓視為直流電壓進行斬波，從而限制了交流輸出電壓的緣故。這種直流的線間電壓總是在不斷變化，最大值為√￣3，最小值為1.5。也就是說，交流輸入電壓的最大值為√￣3，交流輸出電壓則被限制為1.5。因此，最大只能輸出交流輸入電壓的0.866倍（1.5/√￣3）。而逆變器如果直流輸入電壓的最大值為√￣3，則可得到√￣3的交流輸出電壓。 例如由主電路與二極管整流器組合而成的逆變器，當交流輸入電壓為200V時，輸出可實質上得到約200V的交流電壓。而如果是矩陣式轉換器，則交流輸出電壓會受到最大約為173.2V的限制。不過，如果在可輸出的最大電壓以下的話，即使交流輸入電壓下降，仍可將交流輸出電壓控制在一定水平。另外，即使3相交流輸入的電壓波形出現不平衡及畸變，也可進行控制，使交流輸出電壓不受到影響。 可舉出的矩陣式轉換器另一個缺點是，由于未配備能量緩沖器功能，因此，發(fā)生停電及電壓瞬間下降（瞬間停電）時不能保持運轉。然而，由于矩陣式轉換器像逆變器一樣，起動時必須對大容量電解電容器進行充電，因而只要電源復位馬上就能重新開始運轉。所以，在像馬達那樣持續(xù)旋轉力發(fā)揮作用的、慣性因素較大的用途方面，停電以及電壓瞬間下降的影響很難體現在負荷的動作上。因此，有時隨著用途的不同，問題并不會凸顯出來。 需要充分了解優(yōu)缺點 至此，本文向大家講述了現有的逆變器存在的問題，介紹了頗受關注的矩陣式轉換器在高效率化、小型化以及長壽命化等方面的優(yōu)點。特別值得一提的是，矩陣式轉換器是可在不降低轉換效率的情況下解決輸入電流的高次諧波問題的唯一方法。 另一方面矩陣式轉換器還存在著輸出電壓有限制、沒有針對停電及瞬間停電的準備等問題。因此，目前已普及的逆變器很難想像會全部改用矩陣式轉換器。也就是說，重要的是在深刻理解矩陣式轉換器的優(yōu)缺點的基礎上加以利用。 下一章將介紹矩陣式轉換器的控制方法、保護方法、投產狀況以及應用等領域的開發(fā)狀況。（未完待續(xù)，特邀撰稿人：伊東 淳一，日本長岡技術科學大學） 矩陣式轉換器（八）：半導體技術的進步推動實用化半導體技術的進步推動實用化
矩陣式轉換器是出生于意大利的電源技術專家Marco G. B. Venturini*發(fā)明的一種電源電路方式。他首次公布這一方式是在1980年。在IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）主辦的電源技術相關國際學會“PESC（Power Electronics Specialist Conference）”上，他發(fā)布了相關信息。然而，這一電源方式首次應用到產品上，卻是在2005年。從開發(fā)到實現實用化，整整經歷了25年的時光。 *Marco G. B. Venturini＝從意大利米蘭理工大學（Politecnico di Milano）畢業(yè)后，在美國加州大學伯克利分校（University of California，Berkeley）開始從事有關電力技術（Power Electronics）及馬達控制技術的研究活動。之后，作為共同創(chuàng)始人之一，于1985年成立了制造高性能UPS（不間斷電源裝置）及馬達驅動裝置的意大利Phases.r.l.。 開始正式投產 矩陣式轉換器的工作原理與交-交變頻器（Cycloconverter）幾乎相同。差異在于開關元件。交-交變頻器采用晶閘管作為開關元件。因此，如果不施加逆電壓，則無法從開切換到關。所以，交-交變頻器只能用于頻率極低的電力轉換用途。而矩陣式轉換器則采用IGBT等開關元件。通過向柵電極輸入信號，可強制性地從開切換到關。這一點是交-交變頻器與矩陣式轉換器的差異。因此，有的文獻中將矩陣式轉換器稱為“PWM交-交變頻器”。 Venturini發(fā)表了研究成果之后，盡管業(yè)內人士就電壓利用率的改進方法、換流方法以及輸入輸出電壓波形的控制方法等進行了多方面研究，但一直未能制造出產品。筆者經過分析認為，之所以沒能投產，原因在于成本。也就是說，是因為沒有低成本實現交流開關、保護（換流）以及輸入輸出控制的方法。 但是，近年來情況發(fā)生了變化。RB-IGBT得到了進一步開發(fā)，采用FPGA也能生成柵極驅動信號了，利用微控制器及DSP進行復雜的輸入輸出波形控制也變成了可能。尤其是FPGA、微控制器以及DSP之類控制LSI的技術進步突飛猛進。10年前無法想像的控制，現在通過數百日元的廉價LSI就能輕而易舉地實現。 在這種技術進步的影響下，矩陣式轉換器的開發(fā)已開始加速。很快，在富士電機于2003年舉辦的成立80周年慶?；顒由?，將矩陣式轉換器制成單元形狀，以參考展出的方式進行了展示。另外在同一年，富士電機以及安川電機分別進行了矩陣式轉換器的實機演示。在那之后，兩家公司進一步提高技術，目前均已將產品投放市場。例如，安川電機于2005年向市場投放了輸出電壓最大為6kV的產業(yè)設備用矩陣式轉換器。目前，已投產了輸出電壓分別為200V、400V和3kV的產品。（未完待續(xù)，特邀撰稿人：伊東 淳一，日本長岡技術科學大學） 矩陣式轉換器（九）：AC直接方式與假想間接方式，哪種控制方式最好？矩陣式轉換器由9個開關元件構成。以最佳的時間切換這些元件的開和關，即可得到所需的頻率及振幅的交流輸出。因此，對它們的控制及其復雜。本文將介紹“AC直接方式”及“假想間接方式”這兩個代表性的控制方式，并且探討其優(yōu)劣。 （責任編輯：山下 勝己） 矩陣式轉換器可將交流電直接轉換成頻率及振幅不同的交流電。與以往的逆變器相比，矩陣式轉換器具備外形尺寸較小、轉換效率高、高次諧波電流發(fā)生量少、無需維修等優(yōu)點。 當然，矩陣式轉換器也有一些缺點。最大的缺點是，控制會變得復雜。這是因為，必須采用9個交流開關元件對輸入電流及輸出電壓進行控制。因此，產生驅動各開關元件的控制脈沖信號的操作相當困難。許多研究過矩陣式轉換器的技術人員，都將這一點作為知難而退放棄研究的理由。 的確，矩陣式轉換器的控制與以往的逆變器相比既復雜又困難。但絕沒有困難到令人無法理解的程度。本文將對這種復雜的矩陣式轉換器的控制方法進行深入淺出的解說。 控制方式有兩種
例如，設想向馬達供電。一般情況下，為了提高節(jié)能效果，馬達會根據負荷狀態(tài)改變旋轉速度等。然而，單靠馬達自己不能旋轉。由矩陣式轉換器根據馬達的負荷狀態(tài)供給最佳頻率及振幅的電力，由此設定所需的旋轉速度。通常，將馬達旋轉速度的設定值稱為“速度指令”。矩陣式轉換器接收到這一速度指令，則輸出相應頻率及振幅的電壓。該電壓設定值即為“輸出電壓指令”注1）。另外，由于矩陣式轉換器可對輸入電流進行控制，因此，可將輸入電流的波形設定為功率因數為1的正弦波。負責實現這一目標的是“輸入電流指令”。 注1） 本文中右上方帶有＊符號的羅馬字母v表示輸出電壓指令。
矩陣式轉換器根據這些指令來控制各開關元件的開和關。根據輸出電壓指令及輸入電流指令生成各開關元件的控制脈沖信號的方法有兩種。即“AC直接方式”及“假想間接方式”（圖2）。 AC直接方式是指統(tǒng)一生成9個開關元件的控制脈沖信號，是最傳統(tǒng)的一種方法。具體而言，以矩陣式轉換器的輸出電壓及頻率達到所需值為目標，確定各開關元件的占空比，并生成控制脈沖信號。此處提到的占空比指的是開關元件“開”的時間在某個期間所占的比率，是一個不同期間都在變化的離散型時間函數。對輸入電流進行如下控制：將輸入電流指令應用于各開關元件的占空比，以設置限制，從而使電流波形呈正弦波狀。（未完待續(xù)，特邀撰稿人：伊東 淳一，日本長岡技術科學大學） 矩陣式轉換器（十）：AC直接方式的控制方法（上） 而假想間接方式的做法則是，將矩陣式轉換器假想分割成2條電路，在求出各條電路中開關元件的占空比之后，再轉換成構成矩陣式轉換器的9個開關元件的占空比，據此生成脈沖控制信號注2）。分割后的2條電路均由6個開關元件構成，1條為輸入元件的整流器，另1條為輸出元件的逆變器主電路（以下稱為主電路）注3）。兩者間通過假想的直流元件相連接。因此，也被稱為假想AC/DC/AC方式。
注2） 假想間接方式依據的是“將某端子與某端子連接，如果連接的時間相同，即使中途的連接路徑不同，輸出波形仍然相同”這一基本原理。也就是說，如果設定輸入端子與輸出端子的關系為相互等同，那么，即使內部電路不同，仍可得到相同的輸出波形。 注3） 在學術上，只有將直流電轉換為交流電的主電路才被稱為逆變器。然而在產業(yè)界，很多情況下將交流輸入用到的二極管整流器及PWM整流器與主電路組合而成的裝置稱為逆變器。本文采用后者的定義。 AC直接方式的優(yōu)點是，控制方式的自由度較高，可采用多種控制方法。之所以這樣說，是因為可同時連接3個3相交流輸入端子及3相交流輸出端子，因而具有27種連接方式。而假想間接方式由于中央位置有假想的直流元件，因此，同時最多只能連接2個輸入端子及輸出端子。所以，連接方式被限制在18種。不過，由于假想間接方式可以將輸入元件與輸出元件分開來考慮，因而具有可分別在控制上下工夫的優(yōu)點。 AC直接方式的控制方法 AC直接方式有多種實現的方法。在此，介紹一種采用最大線間電壓的方法1）。 1） 小山等，“PWM交-交變頻器的VVVF在線控制”，『電氣學會論文志D』，Vol.116，No.6，pp.644-651，1996年.
X區(qū)域：在該區(qū)域內，將輸入電壓的最小相與輸出電壓的最小相連接。 Y區(qū)域：在該區(qū)域內，將輸入電壓的最大相與輸出電壓的最大相連接。 矩陣式轉換器的3相交流輸出電壓如果以3相交流輸入電壓與各開關元件的占空比來表示，則如公式（1）所示
此處，dab為開關元件Sab的占空比，小號字的a為輸入電壓的相，b為輸出電壓的相。（未完待續(xù)，特邀撰稿人：伊東 淳一，日本長岡技術科學大學） 矩陣式轉換器（十一）：AC直接方式的控制方法（下）如果矩陣式轉換器內部發(fā)生短路，則浪涌電流會流向開關元件。另外，一般來說，矩陣式轉換器上連接的負荷是線圈、變壓器以及馬達之類的感應性負荷。因此，如果負荷端電路斷開，那么能量就無處釋放，開關元件便會產生相當大的浪涌電壓。所以，各開關元件的占空比應以防止短路以及電路斷開為目的加以公式（2）所示的限制。
接下來，需要運用公式（2）來求解公式（1），但因為借助具體例子來考慮更容易理解，因此，我們設想以下的情形。假設：3相交流輸入的各個相的關系為 vr＞vs＞vt，且┃vt┃＞┃vr┃，3相交流輸出的各個相的關系為vu＊＞vv＊＞vw＊。這種情形相當于圖3的斜線部位。也就是X區(qū)域的前半部分。Y區(qū)域僅僅是符號相反，但基本上可采用相同的思路。
以W相為基準對公式（1）進行整理后，線間電壓vvw便可用公式（3）來表示。
利用公式（2），可將公式（3）整理為公式（4）。
由公式（4）可以看出，可得到系統(tǒng)輸出電壓的drv與dsv的組合有無數個。因此，僅是這種解法得不到答案。為此，需要利用使輸入電流呈正弦波狀（功率因數定為1）的條件，來確定drv與dsv的關系。 由于輸入電流受到輸出電力的限制，因此，無法任意對輸入電流的大小進行控制。能夠控制的只有輸入電流的各相間之比。確定該比值的方法有多個。在本文中，將采用輸入電流指令，將3相中電壓值最大的相（這種情況下為R相）與中間相（這種情況下為V相）的電流比定義為α，以drv與dsv之比達到α為目標進行控制。在X區(qū)域，電流比α可通過公式（5）來表示。
Y區(qū)域時將最小相與中間相的電流比定義為α。 由此，drv與dsv的關系便確定下來，然后將公式（5）代入公式（4），便可通過公式（6）求出輸出電壓。
實現輸出電壓指令vvw＊的占空比可通過公式（7）算出。
如果將公式（7）的原理用于3相交流輸入電壓的最大相、中間相及最小相，則可表述為公式（8）。另外，如果將上述推理應用于Y區(qū)域，則可得到公式（9）。
小號字的max，mid，min表示輸入電壓的最大相，中間相及最小相。小號字的k表示輸出電壓的最大相及中間相這兩者，與占空比有關的公式總共有6個。
小號字的max，mid，min的定義與X區(qū)域時相同。小號字k表示輸出電壓的最小相及中間相。Y區(qū)域有關占空比的公式也是6個。通過上述算法計算出來的占空比稱之為“占空比指令”。使用占空比指令就可求得各開關元件的脈沖控制信號，具體算法將在下一回開始介紹。（未完待續(xù)，特邀撰稿人：伊東 淳一，日本長岡技術科學大學） 矩陣式轉換器（十二）：假想間接方式的控制方法假想間接方式的控制方法
*再生轉換器：普通逆變器的輸入部分使用的PWM整流器的別名。 圖5的電路結構與上一章介紹的間接矩陣式轉換器相同。因此，假想間接方式可直接應用于構成間接矩陣式轉換器的各開關元件的控制。在本文中，將介紹基于筆者與他人提出的控制方式參考文獻2）。 參看文獻2） 伊東等人，“采用載波對比方式的假想AC/DC/AC轉換方式下的矩陣式轉換器控制法”，同上，Vol.124，No.5，pp.457-463，2004年. 首先求整流器占空比 整流器的作用在于，利用3相交流輸入電壓生成所需的直流電壓，同時對輸入電流進行控制，使其呈正弦波狀。如果以3相交流輸入電壓的中點（零電位）為基準，將正負直流電壓分別設為edcp、edcn，則可用公式（10）來表示。
為了防止整流器的短路，各開關元件的占空比必須満足以下條件。
輸入電流與直流電流idc的關系可用公式（12）來表示。
公式（12）的1和－1表示直流電流的正極和負極。在此必須注意的是，由于直流電流的大小完全取決于輸出功率，因此，整流器只對輸入電流的波形進行控制。 假想間接方式與AC直接方式一樣，也將電壓值的負絕對值較大的區(qū)域定義為X，正絕對值較大的區(qū)域定義為Y。為了盡可能地增加直流電壓，并且將輸入電流控制為正弦波狀，需要在這2個區(qū)域應用以下規(guī)則。 X區(qū)域：輸入電壓為最小相的開關元件保持開的狀態(tài)，通過剩余2相上側的開關元件進行控制。 Y區(qū)域：輸入電壓為最大相的開關元件保持開的狀態(tài)，通過剩余2相下側的開關元件進行控制。 根據上述規(guī)則以及公式（11）、公式（12）來解公式（10），可以求出各開關元件的占空比。此處也通過具體例子進行說明以便讀者理解。我們設想以下條件，即：3相交流輸入電壓的關系為vr＞vs＞vt，且vs＞0。由于計算的對象為X區(qū)域，因此，dtn＝1，由此，馬上由公式（11）求得drn＝0，dsn＝0。另外，由X區(qū)域的規(guī)則得知，dtp＝0。也就是說，對于占空比，只考慮drp及dsp即可。將以上條件代入公式（12），則可求出公式（13）。
從公式（13）的第3行可以看出，要想使it的波形成為功率因數為1的正弦波狀，必須對直流電流idc的波形進行控制，使其與vt波形相似。因此，如果將與3相交流輸入的各個相同步的、振幅為1的正弦波用ur、us、ut來表示，并代入公式中，則輸入電流可由公式（14）求出。
這樣構成整流器的各開關元件的占空比drp及dsp即可由公式（15）計算得出。
如果將公式（15）的結果用于3相交流輸入電壓的最大值、中間值及最小值，則可得到適用于X區(qū)域的公式（16）以及適用于Y區(qū)域的公式（17）。
至此，構成矩陣式轉換器中輸入部分整流器的各開關元件的占空比便求出來了。（未完待續(xù)，特邀撰稿人：伊東 淳一，日本長岡技術科學大學） 矩陣式轉換器（十三）：求解主電路占空比求解主電路占空比
輸出部分的主電路與通常產業(yè)用途使用的電壓型轉換器具有相同的工作方式。因此，控制起來比較簡單。然而，作為輸入部分整流器的控制結果，直流電壓edc中紋波成分會出現重疊。
圖6為直流電壓單位周期的平均波形以及直流電流單位周期的平均波形。如果3相交流輸出電力為對稱3相正弦波，則有效電力保持恒定，因此，直流電壓與直流電流的乘積也保持恒定。也就是說，直流電壓與直流電流中會重疊出現形狀對稱的紋波成分。主電路必須對這種紋波成分導致的電壓變動部分進行補償。直流電壓edc與交流入輸出電壓各個相之間的關系如公式（18）所示。
位于右項分母中的ut為紋波成分，可以看出，直流電壓edc中電壓變動部分得到了補償。如果在X區(qū)域及Y區(qū)域中將公式（18）的原理用于3相交流輸入電壓的最大值及最小值，則可得到公式（19）及公式（20）。
為了防止短路，構成主電路的各開關元件的占空比會受到公式（21）的限制。
如果考慮到公式（21），則主電路各開關元件的占空比可用公式（22）來表示。（未完待續(xù)，特邀撰稿人：伊東 淳一，日本長岡技術科學大學）
因此，各開關元件的占空比、直流電壓及輸出電壓指令之間的關系，如公式（23）所示注4）。 注4） 在公式（23）中，以直流電壓的中點為基準，計算輸出電壓。因此，與以往的逆變器一樣，主電路會出現輸出電壓下降的問題。而且，矩陣式轉換器的整流器也會出現電壓下降。整流器會降至以前的0.866倍，主電路會降至以前的0.866倍，整體降至以前的0.75倍。雖然整流器的電壓下降無法避免，但主電路的電壓下降則與以往的逆變器一樣，可通過對各個相的電壓指令采用2相調制以及第三高次諧波注入調制來避免。
最后合成控制脈沖信號 假想間接方式將矩陣式轉換器分成整流器及主電路，據此計算開關元件的占空比。因此，計算過程比AC直接方式更簡單。然而，要想得到各開關元件的控制脈沖信號，最后必須進行信號合成。 信號合成的實現方法有兩種。一種是利用占空比進行合成的方法。另一種方法是，在整流器及主電路中各自由占空比生成控制脈沖信號，然后合成這兩種信號。由于后者可通過FPGA等輕而易舉地執(zhí)行，因此，在運算量上占優(yōu)勢。然而，這種方法也有缺點。例如，如果位于主電路上側或者下側的3個開關元件同時“開”，則會出現直流電流為零的時段，因此，各個相的輸入電流便會出現不平衡。于是，為了防止這種不平衡的發(fā)生，必須針對各個相的輸入電壓均衡地配置零電壓發(fā)生的時段。這種設定極為復雜。 而利用占空比進行合成的方法盡管運算量較大，但卻不必考慮整流器及主電路中控制脈沖信號的發(fā)生時間。因此，能夠比較容易地求出控制脈沖信號。本文將介紹利用占空比進行合成的方法。 正如在本文的前半部分提到的那樣，構成矩陣式轉換器的9個開關元件的占空比與交流入輸出電壓之間的關系可以用公式（1）來表示。另外，在假想間接方式下分割出的2條電路——整流器與主電路的輸入輸出電壓的關系可以用公式（10）及公式（22）來表示。這樣一來，即可由這3個公式，導出矩陣式轉換器的輸出電壓等于假想間接方式下的輸出電壓的關系式——公式（24）。
如果著眼于開關元件的占空比對公式（24）加以整理，則可得到公式（25）。這就是假想間接方式下的占空比指令。
下一回將介紹利用占空比指令來求出控制脈沖信號的方法。這種方法也可使用在AC直接方式下通過公式（9）求出的占空比指令。（未完待續(xù)，特邀撰稿人：伊東 淳一，日本長岡技術科學大學） 矩陣式轉換器（十四）：優(yōu)劣尚無定論
如果采用這樣求得的控制脈沖信號來驅動各開關元件，即可把3相交流輸入電壓轉換成所需頻率及振幅的3相交流輸出電壓。 優(yōu)劣尚無定論 AC直接方式與假想間接方式各有優(yōu)缺點，目前還沒有得出孰優(yōu)孰劣的結論。今后，矩陣式轉換器的研究開發(fā)也許仍會以這兩種方式為主進行下去。另外，本文介紹了利用最大線間電壓的控制方法，利用最小線間電壓以及中間線間電壓的控制方式的開發(fā)也在進行之中。后兩者的優(yōu)點是：如果利用最小線間電壓，轉換效率可得到提高，如果利用中間線間電壓，可減少噪聲。然而，兩者都存在輸入電流高次諧波成分有時會增加的缺點。 在矩陣式轉換器控制方法的講解中，公式不可或缺。因此，本文使用了很多公式，但每個公式都非常簡單。但愿能有助于各位的理解。（特邀撰稿人：伊東 淳一，日本長岡技術科學大學） |
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