Saber高频环节矩阵式变换器的分析与设计(5)
1）输出电压幅值和频率可独立控制，输出频率可以高于、低于输入频率，理论上可以达到任意值；
2）在某些控制规律下，输入功率因数角能够灵活调节达到0.99以上，并可自由调节，可超前、滞后或调至接近于单位功率因数角；
3）采用四象限开关，可以实现能量双向流动；
4）没有中间储能环节，结构紧凑，效率高；
5）输入电流波形好，无低次谐波；
6）具有较强的可控性；
随着研究的不断深入，电力电子器件和应用技术以及微机控制技术的发展，控制理论的日益完善，成本的不断降低，必将以其独特的优点在未来产品化方面形成优势，日益接近实用化。
2.3 双向开关模块概述
矩阵变换器中的双向开关要求具有双向导通电流和双向阻断电压的能力，这样的开关又被称为四象限开关(4Quadrant Switch，简称4QSW)，是必须选用的开关形式，其含义是：这种双向可控开关有两种基本形式：组合式和费组合式。组合开关有以下几种类型：串联型，又称为共发射级、共集电极反向并联型；逆阻型IGBT（RB-IGBT）开关并联型；桥式型，又称为二极管嵌入型；混合型，又称为谐振型。非组合型双向开关基于一个硅片，如双向晶闸管（TRIAC），又如1998年Chang Jie开发出了一种基于一个硅基片双驱动极的双向IGBT，称为IBGT，但未见产品化报导。由于目前矩阵变换器都采用全部隔离驱动方式，双向可控开关的选择应该考虑到所需隔离电源路数最少，也要考虑总体设计的实际情况。由于分立功率器件组成的双向可控开关设计的分散性比较大，故出现了集成或模块化MC的趋势。Jie Chang等人设计出额定电压1200V/150A的3合1集成双向功率模块（IBPM），已经应用到MC的硬件设计中。Eupec公司已经设计了基于共发射极的完全矩阵变换器功率电路ECONOMAC，可商业化。模块化的矩阵变换器可以减少换流路径的杂散电感，提高矩阵变换器的紧凑性，必将促进矩阵变换器的发展。图2.3.1给出了双向开关的几种构成方案，即串联型(a)(b)、并联型(c)、桥式型(d)和混合型(e)：
图2.3.1双向开关的构成方案
由于市场上的IGBT模块一般都集成了反并联的快速二极管，组成逆导器件，所以IGBT模块特别适合用于构成双向开关。如图2.3.1中(a)、(b)所示串联型结构的双向开关可以利用功率模块中的续流二极管，两个功率模块反串联即可组成双向开关，方便简单，可靠性高。(a)、(b)两种结构的双向丌关的区别是：采用(a)结构的AC/DCMC需要驱动电源具有6个相互隔离的接地端，采用(b)结构则只需5个，但是采用(a)结构的功率电路更易于模块化设计；如图2.3.1中(c)所示并联型结构需要由两个功率单管和两个快恢复的二极管组合而成，线路中的分立元件多，接线电感大，降低了系统的可靠性。
串联型和并联型结构的共同优点是：能够对两个方向进行独立控制，易于解决双向开关间的换流问题。采用如(d)所示的桥式型结构，所需的功率器件的数量比串、并联型结构少了一半，但是任意时刻，导通的元件个数多，线路损耗增大，并且无法对两个方向分别进行控制。
如图2.3.1中(d)所示混合型结构由桥式整流器、两个功率器件、一个电感、一个电容和四个快速二极管组成。电路中电容的充放电作用适合开通时，功率器件的电流由零慢慢上升；关断时，功率器件两端的电压接近于零，可以做到接近零损耗。这种结构的缺点是元件个数多，线路复杂，且电容电压随负载电流的增大而增大，在大电流时对器件的耐压容量要求高。
3 高频环节矩阵变换器控制方法
3.1 解结耦控制