摘要：矩阵变换器具有一系列的优点，已成为交-交变换器研究中非常热门的课题，但其电压传输比一直比较低。针对矩阵变换器在目前的拓扑结构下最大的电压传输比仅为0.866，提出了"泵式"矩阵变换器，分析了它的拓扑结构和工作原理，并进行了matlab仿真，实现了电压传输比的提高。

关键词：电压增益 矩阵变换器 matlab仿真

矩阵变换器具有一系列优点，但迟迟不能进入实用阶段，其重要的原因之一就在于它的电压传输比比较低。

在现有矩阵变换器的拓扑结构与调制策略基础上，得到的输出输入电压传输比都小于等于1[1～3]。通过对矩阵变换器电压传输比进行严格的数学证明可知：在希望得到输出相电压为正弦电压的情况下，最大传输比为0.866[4]。虽然对现有的调制策略进行修正和改进在一定程度上可以提高电压传输比，但仍难以达到期望效果。若还局限于现有的拓扑结构，那么将很难进一步提高电压传输比。只有突破原有矩阵变换器拓扑结构并采取相应的调制策略，才有可能进一步提高电压传输比。于是，本文提出了"泵式"单相矩阵变换器的拓扑结构和相应的调制策略，即采用一个与往复式机械泵机理相似的矩阵变换器拓扑结构，并将高频升压与斩波与斩波调制协调配合实现双向调压，从而使得总电压传输比大于1。

图1

1 "泵式"矩阵变换器的拓扑结构和工作过程

1.1拓扑结构

“泵式”矩阵变换器的基本拓扑结构[5]如图1所示，其中，s11、s12、s21、s22、s0均为无延时的理想双向功率开关管，l1、c1、l2、c2均工作在高频斩波状态。

开关管s11、s12、s21、s22共同构成开关矩阵，其对应调制矩阵为：

1.2"泵"式矩阵变换器的工作原理

矩阵式变换器可以实现交流电诸参数（相数、相位、幅值、频率）的变换。实现参数变换的过程，就是建立一个对应于开关矩阵（如图1 s11、s12、s21所示）的m（t）调制矩阵，并通过实时运算得出m（t）调制矩阵内矩阵因子的数值，从而控制矩阵变换器上相应功率开关管的导通时间。在每个斩波周期内，通过开关管的不同通断状态组合，实现对输出参数的控制。

“泵”式矩阵变换器各开关管的工作规律是由m（t）调制矩阵内矩阵因子决定的，矩阵因子mij(i=1,2; j=1,2)为相应双向开关管的占空比。现以图1中开关管s0、s11、s22、s12、 s21的工作状态说明"泵"式矩阵变换器的工作原理。在这里，s状态："1"表示该开关管导通，"0"表示该开关管关断。

对于图1电路，输入/输出电压的关系可表示为：

式中，ωi为输入频率，ωo为输出频率，ψ为输出初相角，q=vo/vi.

通常，一个斩波周期t包含三个时段：s11和s22、导通，s12和s21关断的t1时段；s11和s22关断、s12和s21导通的t2时段；s11、s22、s12和s21都导通的t3时段。且有t1、t2、t3=t，m1+m2+m3=1,m1=m11=m22,m2=m12=m21。

“泵”式矩阵变换器的工作过程包含以下两步：

①在斩波周期t中的（t1+t2）时段，s0导通，等值线路如图2所标，分为两个独立回路：

回路a ，t1电流值上升，从电网吸收能量；

回路b--c1上的电压vc1(t)作为开关管矩阵的电源为负载提供能量。

在这段时间内，对开关矩阵而言又分为两个工作时段，即t1和t2。在t1时段内，s11和s22导通；在t2时段内，s21和s12导通。这里，根据t1/t2的变化，可以实现对波形的调制。

②在斩波周期t的t3时段，s0截止，等值电路如图3所示，同样也由两个独立回路构成：

回路a--l1释放能量，电源和l1趾联对c1充电，适当选择t3可使电容c1的充电电压vc1(t)大于电源电压，从而实现了"电压提升"。

回路b--s11