矩陣式轉(zhuǎn)換器（一）：電力轉(zhuǎn)換技術(shù)的“救世主”，有望大幅實現(xiàn)小型及高效率化矩陣式轉(zhuǎn)換器（Matrix Converter）可將交流電直接轉(zhuǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)換器的特點以及電路構(gòu)成。 （山下 勝己） 可將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的逆變器*，在驅(qū)動馬達的裝置中已廣泛普及，為電子設(shè)備的節(jié)能做出了貢獻。特別是冷卻扇以及泵等設(shè)備，雖然節(jié)能效果取決于運轉(zhuǎn)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(chǎn)生高次諧波電流。 *逆變器＝將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的電源電路。從學(xué)術(shù)角度，只有將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的主電路才被稱為逆變器。然而在產(chǎn)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(zhuǎn)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(guān)注的技術(shù)。采用該技術(shù)能將交流電直接轉(zhuǎn)換成頻率不同的交流電。不需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換成直流電這一步，所以，轉(zhuǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)到應(yīng)用，分多章進行詳細(xì)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(zhuǎn)換器的特點及電路構(gòu)成。 逆變器的原理及電路構(gòu)成 在開始介紹矩陣式轉(zhuǎn)換器之前，首先回顧一下有關(guān)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(zhuǎn)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(guān)元件。通過圖1（b）所示的模式切換開關(guān)元件的開和關(guān)，將直流電轉(zhuǎn)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(dǎo)體開關(guān)元件之一。多用于逆變器以及DC-DC轉(zhuǎn)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(shù)百V的低壓設(shè)備上，IGBT則適用于耐壓高達數(shù)百kV以上的設(shè)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(guān)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(chǎn)生Edc正電壓，如果將Sun及Ssp置為“開”，則振幅會產(chǎn)生Edc負(fù)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(guān)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(shù)科學(xué)大學(xué)） 矩陣式轉(zhuǎn)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(shù)k～數(shù)十kHz的頻率切換開關(guān)元件的開和關(guān)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(diào)制（Pulse Width Modulation：PWM）控制。另一方面，交流電的頻率控制則通過調(diào)整圖1（b）及圖1（c）的動作周期來實現(xiàn)。
上述內(nèi)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(zhǔn)，假設(shè)相電壓為Vum、電解電容器的端子電壓為E、開關(guān)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(guān)元件同時開或者關(guān)，則會引發(fā)短路或者電路斷開，從而產(chǎn)生巨大的浪涌電流及浪涌電壓，有可能會破壞負(fù)荷。因此，必須確保以下關(guān)系的成立
如果在考慮到這種關(guān)系再來觀察公式（1）就會發(fā)現(xiàn)，隨著Dup及Dun的值不同，輸出電壓有時為正、有時為負(fù)。另外還可發(fā)現(xiàn)，輸出電壓以E/2為最大值，在此數(shù)值以下的范圍內(nèi)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(dāng)于一種公害物質(zhì)。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(dǎo)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(dǎo)致的電壓下降的影響，在所連接負(fù)荷的受電端，電壓波形會產(chǎn)生較大的變形（圖3）。其結(jié)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(zhuǎn)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(shù)科學(xué)大學(xué)） *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(xiàn)象，來消除感應(yīng)性負(fù)荷導(dǎo)致的相位滯后的裝置。在電力公司的電力系統(tǒng)中經(jīng)常采用。 *轉(zhuǎn)矩脈動＝馬達中產(chǎn)生的扭矩變動。如果轉(zhuǎn)矩脈動比較大，則會產(chǎn)生馬達的頻率顫動等。
矩陣式轉(zhuǎn)換器（三）：導(dǎo)入PWM整流器的優(yōu)缺點
作為減少二極管整流器所產(chǎn)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(dāng)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(jù)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(zhuǎn)換器或者電源轉(zhuǎn)換器）。PWM整流器與逆變器的主電路一樣，由6個開關(guān)元件（IGBT）構(gòu)成。另外，通過對各開關(guān)元件的“開”“關(guān)”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(guān)元件的“開”“關(guān)”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(zhuǎn)時的電力轉(zhuǎn)換次數(shù)，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(jié)果是，逆變器整體的轉(zhuǎn)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(shù)科學(xué)大學(xué)） 矩陣式轉(zhuǎn)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(nèi)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(dǎo)體開關(guān)）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(fù)雜，還會妨礙逆變器的小型化。 如果導(dǎo)入了逆變器，不僅可獲得較高的節(jié)能效果，還可根據(jù)負(fù)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(shù)性突破也許不可或缺。 產(chǎn)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(fù)荷、一定轉(zhuǎn)速下保持運轉(zhuǎn)，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(dāng)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(guān)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(shù)，目前矩陣式轉(zhuǎn)換器受到了巨大關(guān)注。矩陣式轉(zhuǎn)換器是一種直接將交流電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，但按照電路構(gòu)造的差異，可分為多個種類。
最常見的電路構(gòu)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(guān)元件，通過對開關(guān)元件的“開”“關(guān)”時間進行控制，從而將交流電轉(zhuǎn)換成振幅及頻率不同的交流電。由于開關(guān)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(shù)科學(xué)大學(xué)） 矩陣式轉(zhuǎn)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(guān)注的電路是間接矩陣式轉(zhuǎn)換器（圖6（b））。這是一種將3相輸入單相輸出的矩陣式轉(zhuǎn)換器與單相輸入3相輸出的矩陣式轉(zhuǎn)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(xiàn)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(guān)元件使用的IGBT模塊、以及驅(qū)動IGBT的高耐壓IC都可加以利用。另外，還具有保護電路的結(jié)構(gòu)比較簡單、可簡化開關(guān)元件的切換程序（換流）等優(yōu)點。不過，如果與由9個開關(guān)元件構(gòu)成的普通矩陣式轉(zhuǎn)換器相比，由于需要增加1個電力轉(zhuǎn)換元件，因而存在著轉(zhuǎn)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(guān)元件構(gòu)成的矩陣式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)元件。 圖7為從矩陣式轉(zhuǎn)換器拔出的、與單相（U相）輸出有關(guān)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(shè)為VR、VS、VT，將各開關(guān)元件SRU、SSU、STU的占空比分別設(shè)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(guān)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(guān)元件的占空比中有DR、DS、DT這3個變數(shù)，但由于受到公式（4）的限制，可進行任意設(shè)定的變數(shù)只有2個。因此，可以任意設(shè)定2個限制條件。矩陣式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器可在功率因數(shù)無限接近于1的狀態(tài)下工作。 采用特殊開關(guān)元件 開關(guān)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(guān)元件。（未完待續(xù)，特邀撰稿人：伊東 淳一，日本長岡技術(shù)科學(xué)大學(xué)） 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(chǎn)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(zhuǎn)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(guān)元件都需要2個半導(dǎo)體芯片。因此，所使用的半導(dǎo)體芯片的個數(shù)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(dǎo)體芯片的數(shù)量。然而，如果將續(xù)流二極管（Free Wheel Diode：FWD）*的個數(shù)也考慮在內(nèi)，則PWM整流器與主電路組合而成的逆變器中半導(dǎo)體芯片數(shù)達到了24個。與此不同，由于矩陣式轉(zhuǎn)換器不使用續(xù)流二極管，因而只需要18個半導(dǎo)體芯片即可。因此，有望實現(xiàn)開關(guān)元件模塊的小型化及低成本化。
*續(xù)流二極管＝是指與開關(guān)元件并聯(lián)連接的二極管。感應(yīng)性負(fù)荷停止時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢所產(chǎn)生的電流通過該二極管流走，由此可防止開關(guān)元件破損。 有望實現(xiàn)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(xiàn)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(zhuǎn)換為直流電的情況下將交流電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)小型化。而且，由于矩陣式轉(zhuǎn)換器本身內(nèi)置濾波器用電容器的產(chǎn)品較多，因此，絕大多數(shù)情況下僅外置濾波器用扼流圈即可。 這樣一來其結(jié)果是，可以大幅減少采用矩陣式轉(zhuǎn)換器的馬達控制盤（裝置）的部件個數(shù)以及布線數(shù)。例如，設(shè)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(chǎn)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(zhuǎn)換器無需大容量的電解電容器，因此，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。還可在高溫環(huán)境下運轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)換效率。最大的理由是，由于電力轉(zhuǎn)換的次數(shù)只需1次，因此，從電源輸入直到向負(fù)荷輸出為止，所要通過的開關(guān)元件數(shù)減少。提高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)科學(xué)大學(xué)） 矩陣式轉(zhuǎn)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(gòu)成為完全相同的形狀，因而可實現(xiàn)電力再生。當(dāng)馬達切換到發(fā)電模式時，可在不產(chǎn)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(guān)元件。通常，當(dāng)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(guān)元件的現(xiàn)象。在這種情況下，由于開關(guān)元件的結(jié)（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(chǎn)生靜止扭矩。 而矩陣式轉(zhuǎn)換器即使輸出直流電，3相交流輸入電力的相位關(guān)系也會使得對應(yīng)的開關(guān)元件發(fā)生改變，因此，不會出現(xiàn)電流集中流向一個開關(guān)元件的現(xiàn)象。其結(jié)果是，在相同芯片尺寸的開關(guān)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(xiàn)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(zhuǎn)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(dāng)交流輸入電壓為200V時，輸出可實質(zhì)上得到約200V的交流電壓。而如果是矩陣式轉(zhuǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)。然而，由于矩陣式轉(zhuǎn)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(fù)位馬上就能重新開始運轉(zhuǎn)。所以，在像馬達那樣持續(xù)旋轉(zhuǎn)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(xiàn)在負(fù)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(xiàn)有的逆變器存在的問題，介紹了頗受關(guān)注的矩陣式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器是可在不降低轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhǔn)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(zhuǎn)換器。也就是說，重要的是在深刻理解矩陣式轉(zhuǎn)換器的優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上加以利用。 下一章將介紹矩陣式轉(zhuǎn)換器的控制方法、保護方法、投產(chǎn)狀況以及應(yīng)用等領(lǐng)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(shù)科學(xué)大學(xué)） 矩陣式轉(zhuǎn)換器（八）：半導(dǎo)體技術(shù)的進步推動實用化半導(dǎo)體技術(shù)的進步推動實用化
矩陣式轉(zhuǎn)換器是出生于意大利的電源技術(shù)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(shù)相關(guān)國際學(xué)會“PESC（Power Electronics Specialist Conference）”上，他發(fā)布了相關(guān)信息。然而，這一電源方式首次應(yīng)用到產(chǎn)品上，卻是在2005年。從開發(fā)到實現(xiàn)實用化，整整經(jīng)歷了25年的時光。 *Marco G. B. Venturini＝從意大利米蘭理工大學(xué)（Politecnico di Milano）畢業(yè)后，在美國加州大學(xué)伯克利分校（University of California，Berkeley）開始從事有關(guān)電力技術(shù)（Power Electronics）及馬達控制技術(shù)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(qū)動裝置的意大利Phases.r.l.。 開始正式投產(chǎn) 矩陣式轉(zhuǎn)換器的工作原理與交-交變頻器（Cycloconverter）幾乎相同。差異在于開關(guān)元件。交-交變頻器采用晶閘管作為開關(guān)元件。因此，如果不施加逆電壓，則無法從開切換到關(guān)。所以，交-交變頻器只能用于頻率極低的電力轉(zhuǎn)換用途。而矩陣式轉(zhuǎn)換器則采用IGBT等開關(guān)元件。通過向柵電極輸入信號，可強制性地從開切換到關(guān)。這一點是交-交變頻器與矩陣式轉(zhuǎn)換器的差異。因此，有的文獻中將矩陣式轉(zhuǎn)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(nèi)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(chǎn)品。筆者經(jīng)過分析認(rèn)為，之所以沒能投產(chǎn)，原因在于成本。也就是說，是因為沒有低成本實現(xiàn)交流開關(guān)、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(qū)動信號了，利用微控制器及DSP進行復(fù)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(shù)進步突飛猛進。10年前無法想像的控制，現(xiàn)在通過數(shù)百日元的廉價LSI就能輕而易舉地實現(xiàn)。 在這種技術(shù)進步的影響下，矩陣式轉(zhuǎn)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?；顒由希瑢⒕仃囀睫D(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的實機演示。在那之后，兩家公司進一步提高技術(shù)，目前均已將產(chǎn)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(chǎn)業(yè)設(shè)備用矩陣式轉(zhuǎn)換器。目前，已投產(chǎn)了輸出電壓分別為200V、400V和3kV的產(chǎn)品。（未完待續(xù)，特邀撰稿人：伊東 淳一，日本長岡技術(shù)科學(xué)大學(xué)） 矩陣式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器由9個開關(guān)元件構(gòu)成。以最佳的時間切換這些元件的開和關(guān)，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(fù)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(zé)任編輯：山下 勝己） 矩陣式轉(zhuǎn)換器可將交流電直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器具備外形尺寸較小、轉(zhuǎn)換效率高、高次諧波電流發(fā)生量少、無需維修等優(yōu)點。 當(dāng)然，矩陣式轉(zhuǎn)換器也有一些缺點。最大的缺點是，控制會變得復(fù)雜。這是因為，必須采用9個交流開關(guān)元件對輸入電流及輸出電壓進行控制。因此，產(chǎn)生驅(qū)動各開關(guān)元件的控制脈沖信號的操作相當(dāng)困難。許多研究過矩陣式轉(zhuǎn)換器的技術(shù)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(zhuǎn)換器的控制與以往的逆變器相比既復(fù)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(fù)雜的矩陣式轉(zhuǎn)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(shè)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(jù)負(fù)荷狀態(tài)改變旋轉(zhuǎn)速度等。然而，單靠馬達自己不能旋轉(zhuǎn)。由矩陣式轉(zhuǎn)換器根據(jù)馬達的負(fù)荷狀態(tài)供給最佳頻率及振幅的電力，由此設(shè)定所需的旋轉(zhuǎn)速度。通常，將馬達旋轉(zhuǎn)速度的設(shè)定值稱為“速度指令”。矩陣式轉(zhuǎn)換器接收到這一速度指令，則輸出相應(yīng)頻率及振幅的電壓。該電壓設(shè)定值即為“輸出電壓指令”注1）。另外，由于矩陣式轉(zhuǎn)換器可對輸入電流進行控制，因此，可將輸入電流的波形設(shè)定為功率因數(shù)為1的正弦波。負(fù)責(zé)實現(xiàn)這一目標(biāo)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(zhuǎn)換器根據(jù)這些指令來控制各開關(guān)元件的開和關(guān)。根據(jù)輸出電壓指令及輸入電流指令生成各開關(guān)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(guān)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(zhuǎn)換器的輸出電壓及頻率達到所需值為目標(biāo)，確定各開關(guān)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(guān)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(shù)。對輸入電流進行如下控制：將輸入電流指令應(yīng)用于各開關(guān)元件的占空比，以設(shè)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(shù)科學(xué)大學(xué)） 矩陣式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器假想分割成2條電路，在求出各條電路中開關(guān)元件的占空比之后，再轉(zhuǎn)換成構(gòu)成矩陣式轉(zhuǎn)換器的9個開關(guān)元件的占空比，據(jù)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(guān)元件構(gòu)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(jù)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(shè)定輸入端子與輸出端子的關(guān)系為相互等同，那么，即使內(nèi)部電路不同，仍可得到相同的輸出波形。 注3） 在學(xué)術(shù)上，只有將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的主電路才被稱為逆變器。然而在產(chǎn)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(xiàn)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(xué)會論文志D』，Vol.116，No.6，pp.644-651，1996年.
X區(qū)域：在該區(qū)域內(nèi)，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(nèi)，將輸入電壓的最大相與輸出電壓的最大相連接。 矩陣式轉(zhuǎn)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(guān)元件的占空比來表示，則如公式（1）所示
此處，dab為開關(guān)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(shù)科學(xué)大學(xué)） 矩陣式轉(zhuǎn)換器（十一）：AC直接方式的控制方法（下）如果矩陣式轉(zhuǎn)換器內(nèi)部發(fā)生短路，則浪涌電流會流向開關(guān)元件。另外，一般來說，矩陣式轉(zhuǎn)換器上連接的負(fù)荷是線圈、變壓器以及馬達之類的感應(yīng)性負(fù)荷。因此，如果負(fù)荷端電路斷開，那么能量就無處釋放，開關(guān)元件便會產(chǎn)生相當(dāng)大的浪涌電壓。所以，各開關(guān)元件的占空比應(yīng)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(shè)想以下的情形。假設(shè)：3相交流輸入的各個相的關(guān)系為 vr＞vs＞vt，且┃vt┃＞┃vr┃，3相交流輸出的各個相的關(guān)系為vu＊＞vv＊＞vw＊。這種情形相當(dāng)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(zhǔn)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(shù)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(shù)定為1）的條件，來確定drv與dsv的關(guān)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(biāo)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(guān)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(xiàn)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(yīng)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(guān)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(guān)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(guān)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(shù)科學(xué)大學(xué)） 矩陣式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)與上一章介紹的間接矩陣式轉(zhuǎn)換器相同。因此，假想間接方式可直接應(yīng)用于構(gòu)成間接矩陣式轉(zhuǎn)換器的各開關(guān)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(zhuǎn)換方式下的矩陣式轉(zhuǎn)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(zhǔn)，將正負(fù)直流電壓分別設(shè)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(guān)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(guān)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(fù)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(fù)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(yīng)用以下規(guī)則。 X區(qū)域：輸入電壓為最小相的開關(guān)元件保持開的狀態(tài)，通過剩余2相上側(cè)的開關(guān)元件進行控制。 Y區(qū)域：輸入電壓為最大相的開關(guān)元件保持開的狀態(tài)，通過剩余2相下側(cè)的開關(guān)元件進行控制。 根據(jù)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(guān)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(shè)想以下條件，即：3相交流輸入電壓的關(guān)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(shù)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(gòu)成整流器的各開關(guān)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(jié)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(gòu)成矩陣式轉(zhuǎn)換器中輸入部分整流器的各開關(guān)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(shù)科學(xué)大學(xué)） 矩陣式轉(zhuǎn)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(chǎn)業(yè)用途使用的電壓型轉(zhuǎn)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(jié)果，直流電壓edc中紋波成分會出現(xiàn)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(xiàn)形狀對稱的紋波成分。主電路必須對這種紋波成分導(dǎo)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(guān)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(gòu)成主電路的各開關(guān)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(guān)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(shù)科學(xué)大學(xué)）
因此，各開關(guān)元件的占空比、直流電壓及輸出電壓指令之間的關(guān)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(zhǔn)，計算輸出電壓。因此，與以往的逆變器一樣，主電路會出現(xiàn)輸出電壓下降的問題。而且，矩陣式轉(zhuǎn)換器的整流器也會出現(xiàn)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(diào)制以及第三高次諧波注入調(diào)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(zhuǎn)換器分成整流器及主電路，據(jù)此計算開關(guān)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(guān)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(xiàn)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(cè)或者下側(cè)的3個開關(guān)元件同時“開”，則會出現(xiàn)直流電流為零的時段，因此，各個相的輸入電流便會出現(xiàn)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(shè)定極為復(fù)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(gòu)成矩陣式轉(zhuǎn)換器的9個開關(guān)元件的占空比與交流入輸出電壓之間的關(guān)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(guān)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(dǎo)出矩陣式轉(zhuǎn)換器的輸出電壓等于假想間接方式下的輸出電壓的關(guān)系式——公式（24）。
如果著眼于開關(guān)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(shù)科學(xué)大學(xué)） 矩陣式轉(zhuǎn)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(qū)動各開關(guān)元件，即可把3相交流輸入電壓轉(zhuǎn)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(jié)論。今后，矩陣式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)科學(xué)大學(xué)） |
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