矩陣式變換器是一種強(qiáng)迫換相的交－交變換器，它由9個(gè)可控的雙向開(kāi)關(guān)，利用PWM控制將交流供電電源直接變換成負(fù)載所需的變壓變頻電源，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。雙向開(kāi)關(guān)使用兩個(gè)IGBT共集電極反向串聯(lián)，利用器件內(nèi)部的續(xù)流二極管以阻擋反向電壓，結(jié)構(gòu)緊湊，方便簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)損耗也較低。輸入側(cè)的L－C濾波器可有效減少輸入電流的開(kāi)關(guān)頻率諧波。 

圖1：矩陣式變換器的原理性結(jié)構(gòu)圖

EMI分析

矩陣式變換器是AC/AC直接變換，電網(wǎng)和負(fù)載會(huì)相互直接影響，電網(wǎng)的波動(dòng)會(huì)直接對(duì)負(fù)載（如異步電機(jī)）產(chǎn)生干擾；用IGBT和反并聯(lián)二極管構(gòu)成的雙向開(kāi)關(guān)，以及它們的控制電路DSP和CPLD等高速集成電路，都存在著高的di/dt，它們通過(guò)線(xiàn)路或元器件的引線(xiàn)電感引起瞬態(tài)電磁噪聲，其頻率為幾千Hz，成為不可忽略的噪聲源；PWM調(diào)制技術(shù)在各種電力電子裝置中的廣泛應(yīng)用，在它們的主功率電路中，通常會(huì)流過(guò)一系列的PWM功率脈沖，其重復(fù)頻率視應(yīng)用場(chǎng)合可達(dá)幾千Hz，因而這些脈沖電流中所包含的諧波可以達(dá)到幾MHz乃至幾十MHz的范圍，而且它們產(chǎn)生的電磁噪聲強(qiáng)度很大；而周?chē)脑O(shè)備和裝置也會(huì)輻射電磁波，它們也成為不可忽視的干擾源。這些干擾源通過(guò)傳導(dǎo)和輻射等方式對(duì)輸出和輸入電流、電壓產(chǎn)生影響，必須想辦法將其抑制或減少在可以接受的范圍之內(nèi)。

世界各國(guó)對(duì)電氣設(shè)備的電磁兼容性均制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，特別是西歐，從1996年1月開(kāi)始已強(qiáng)制嚴(yán)格執(zhí)行其標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)也有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，因此，必須采用輸入濾波器減少矩陣式變換器產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)頻率諧波，本文重點(diǎn)介紹輸入濾波器的設(shè)計(jì)。

減少開(kāi)關(guān)過(guò)程干擾

為了保證開(kāi)關(guān)之間的安全切換，同一相輸出的任意兩組開(kāi)關(guān)不能同時(shí)導(dǎo)通，否則將造成輸入兩相短路而產(chǎn)生電流峰值；三相開(kāi)關(guān)也不能同時(shí)斷開(kāi)，否則就造成感性負(fù)載開(kāi)路而感應(yīng)高電壓。但實(shí)際所采用的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件IGBT不可能達(dá)到理想的瞬時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，在即將關(guān)斷的器件退出導(dǎo)通之前，即將導(dǎo)通的器件不能達(dá)到理想狀況的瞬時(shí)導(dǎo)通狀態(tài)，換流時(shí)無(wú)法避免短暫的開(kāi)通重疊或關(guān)斷死區(qū)，因此，為了減少開(kāi)關(guān)過(guò)程的干擾，安全的換流通常不能一步完成。
 
四步安全換流的思想是盡量減少短路和開(kāi)路的危險(xiǎn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)。從開(kāi)關(guān)S1到開(kāi)關(guān)S2換流過(guò)程如圖2所示。

圖2：同一相負(fù)載兩組開(kāi)關(guān)的換流示意圖  

當(dāng)iL>0時(shí)，四步開(kāi)關(guān)順序是：關(guān)S1n，開(kāi)S2p，關(guān)S1p，開(kāi)S2n。
當(dāng)iL<0時(shí)，四步開(kāi)關(guān)順序是：關(guān)S1p，開(kāi)S2n，關(guān)S1n，開(kāi)S2p。
   
可見(jiàn)，四步換流成功地構(gòu)成了對(duì)兩個(gè)雙向開(kāi)關(guān)的換向控制，既阻止了可能使電源發(fā)生短路的開(kāi)關(guān)組合，又保證了在任意時(shí)刻給負(fù)載提供至少一條流通路徑，而且即將關(guān)斷的器件被即將開(kāi)通的器件施以反壓時(shí)可以實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)關(guān)，因此，采用四步換流方案可以減少50％的平均開(kāi)關(guān)損耗。
   
優(yōu)化開(kāi)關(guān)順序是將開(kāi)關(guān)順序設(shè)置為S1，S2，S3，S0，S3，S2，S1，即采用半對(duì)稱(chēng)PWM開(kāi)關(guān)順序，采用優(yōu)化后的開(kāi)關(guān)順序可以減少33％的平均開(kāi)關(guān)損耗。
   
加上濾波器后輸入電流的頻譜如圖3所示，可見(jiàn)輸入電流中基波含量占了絕對(duì)部分，開(kāi)關(guān)頻率及諧波含量已經(jīng)明顯減少，而且由圖4可知輸入電流和電壓基本正弦且同相，因此，濾波器很好地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。 

圖3：加濾波后輸入電流頻譜

圖4：輸入電壓電流波形對(duì)照?qǐng)D

電力電子設(shè)備的EMI污染越來(lái)越受到各方的關(guān)注，各國(guó)也相繼出臺(tái)了有關(guān)EMC的法規(guī)。矩陣式變換器（MC）作為一種極具優(yōu)勢(shì)的電能利用技術(shù)，也必須具有良好的EMC性能。電網(wǎng)的波動(dòng)會(huì)對(duì)矩陣式變換器（MC）的工作產(chǎn)生影響，MC也會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染，因此，必須采取措施減少開(kāi)關(guān)過(guò)程干擾，并增加輸入濾波器。本文詳細(xì)地介紹了MC輸入濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果論證了這種設(shè)計(jì)的可靠性和實(shí)用性。