矩陣式變換器是一種強迫換相的交-交變換器，它由9個可控的雙向開關，利用PWM控制將交流供電電源直接變換成負載所需的變壓變頻電源，其結構如圖1所示。雙向開關使用兩個IGBT共集電極反向串聯(lián)，利用器件內部的續(xù)流二極管以阻擋反向電壓，結構緊湊，方便簡單，開關損耗也較低。輸入側的L-C濾波器可有效減少輸入電流的開關頻率諧波。

　　圖1：矩陣式變換器的原理性結構圖

　　EMI分析

　　矩陣式變換器是AC/AC直接變換，電網(wǎng)和負載會相互直接影響，電網(wǎng)的波動會直接對負載(如異步電機)產(chǎn)生干擾;用IGBT和反并聯(lián)二極管構成的雙向開關，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，它們通過線路或元器件的引線電感引起瞬態(tài)電磁噪聲，其頻率為幾千Hz，成為不可忽略的噪聲源;PWM調制技術在各種電力電子裝置中的廣泛應用，在它們的主功率電路中，通常會流過一系列的PWM功率脈沖，其重復頻率視應用場合可達幾千Hz，因而這些脈沖電流中所包含的諧波可以達到幾MHz乃至幾十MHz的范圍，而且它們產(chǎn)生的電磁噪聲強度很大;而周圍的設備和裝置也會輻射電磁波，它們也成為不可忽視的干擾源。這些干擾源通過傳導和輻射等方式對輸出和輸入電流、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。

　　世界各國對電氣設備的電磁兼容性均制定了相應的標準，特別是西歐，從1996年1月開始已強制嚴格執(zhí)行其標準，我國也有相應的標準和法規(guī)，因此，必須采用輸入濾波器減少矩陣式變換器產(chǎn)生的開關頻率諧波，本文重點介紹輸入濾波器的設計。

　　減少開關過程干擾

　　為了保證開關之間的安全切換，同一相輸出的任意兩組開關不能同時導通，否則將造成輸入兩相短路而產(chǎn)生電流峰值;三相開關也不能同時斷開，否則就造成感性負載開路而感應高電壓。但實際所采用的半導體開關器件IGBT不可能達到理想的瞬時導通和關斷，在即將關斷的器件退出導通之前，即將導通的器件不能達到理想狀況的瞬時導通狀態(tài)，換流時無法避免短暫的開通重疊或關斷死區(qū)，因此，為了減少開關過程的干擾，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路的危險開關狀態(tài)。從開關S1到開關S2換流過程如圖2所示。

圖2：同一相負載兩組開關的換流示意圖

　　當iL>0時，四步開關順序是：關S1n，開S2p，關S1p，開S2n。

　　當iL<0時，四步開關順序是：關S1p，開S2n，關S1n，開S2p。

　　可見，四步換流成功地構成了對兩個雙向開關的換向控制，既阻止了可能使電源發(fā)生短路的開關組合，又保證了在任意時刻給負載提供至少一條流通路徑，而且即將關斷的器件被即將開通的器件施以反壓時可以實現(xiàn)零電流開關，因此，采用四步換流方案可以減少50%的平均開關損耗。

　　優(yōu)化開關順序是將開關順序設置為S1，S2，S3，S0，S3，S2，S1，即采用半對稱PWM開關順序，采用優(yōu)化后的開關順序可以減少33%的平均開關損耗。

　　加上濾波器后輸入電流的頻譜如圖3所示，可見輸入電流中基波含量占了絕對部分，開關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，濾波器很好地實現(xiàn)了設計要求。

　　圖3：加濾波后輸入電流頻譜

　　圖4：輸入電壓電流波形對照圖

　　電力電子設備的EMI污染越來越受到各方的關注，各國也相繼出臺了有關EMC的法規(guī)。矩陣式變換器(MC)作為一種極具優(yōu)勢的電能利用技術，也必須具有良好的EMC性能。電網(wǎng)的波動會對矩陣式變換器(MC)的工作產(chǎn)生影響，MC也會對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，因此，必須采取措施減少開關過程干擾，并增加輸入濾波器。本文詳細地介紹了MC輸入濾波器的設計過程，仿真和實驗結果論證了這種設計的可靠性和實用性。