CN101080865A - 矩阵变换器 - Google Patents

矩阵变换器 Download PDF

Info

Publication number
CN101080865A
CN101080865A CNA2005800430831A CN200580043083A CN101080865A CN 101080865 A CN101080865 A CN 101080865A CN A2005800430831 A CNA2005800430831 A CN A2005800430831A CN 200580043083 A CN200580043083 A CN 200580043083A CN 101080865 A CN101080865 A CN 101080865A
Authority
CN
China
Prior art keywords
matrix converter
current line
switch
direct current
line ball
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CNA2005800430831A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101080865B (zh
Inventor
艾伦·戴维·克兰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GE Power Conversion Brazil Holdings Ltd
Original Assignee
Converteam Technology Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Converteam Technology Ltd filed Critical Converteam Technology Ltd
Publication of CN101080865A publication Critical patent/CN101080865A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101080865B publication Critical patent/CN101080865B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/145—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M7/155—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only
    • H02M7/162—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only in a bridge configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/21—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/217—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/21—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/217—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M7/219—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in a bridge configuration

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Ac-Ac Conversion (AREA)
  • Amplifiers (AREA)
  • Rectifiers (AREA)
  • Saccharide Compounds (AREA)
  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
  • Diaphragms For Electromechanical Transducers (AREA)

Abstract

本发明提供一种可被用作二级功率变换器的一部分的矩阵变换器(4)。该矩阵变换器4具有三条交流电压线(AC1、AC2、和AC3)以及两条直流电压线(DC1和DC2)。对六个半导体开关(10a至10f)的阵列做出布置，使得当相关联的开关闭合时，三条交流电压线(AC1、AC2、和AC3)中的每一条都可以被连接到两条直流电压线(DC1和DC2)中的一条。本发明体现为在两条直流电压线(DC1和DC2)之间增加续流路径(续流二极管(24))，这在全部开关(10a到10f)全部断开时提供第五种操作状态。

Description

矩阵变换器
技术领域
本发明涉及矩阵变换器，尤其涉及可用于形成二级功率变换器的第一级、或者用作单级或多级电源的矩阵变换器。举例来说，二级功率变换器可用于使变速驱动装置与供电网连接。矩阵变换器也可以用于供给直流负载，或者用于调节反馈至电力网或供电网的电源。
背景技术
矩阵变换器正在成为向变速驱动装置或电源提供直接功率转换的越来越常用的方法。在其最基本的形式中，矩阵变换器由开关阵列组成，对开关的布置使得多条输入线中的任意一条可以按照预定的配置被连接到多条输出线中的任意一条。传统的单级矩阵变换器在图1中示出。该矩阵变换器具有三相交流电压供电网的标注为I1、I2和I3的三条输入线，和用来为负载提供三相交流输出电压的标注为O1、O2和O3的三条输出线。九个双向开关S1至S9允许输入线I1、I2和I3中的任意一条连接到输出线O1、O2和O3中的任意一条。
该开关使用半导体器件实现并且该开关可以是双向的，于是单级矩阵变换器既可以用于电动回转应用也可以用于发电应用。普通双向开关使用一对背对背串联的快速恢复二极管(FRD)和一对与所述二极管反向并联的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)来实现。所述IGBT可以被连接成共集结构(图2a)或者共射结构(图2b)。可以使用其它的固态器件比如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、集成门极换流晶闸管(IGCT)、MOS控制晶闸管(MCT)和门极可关断晶闸管(GTO)来代替IGBT。有时也适于使用具有反向阻断能力的半导体器件比如反向阻断绝缘栅双极型晶体管(RB-IGBT)。
通常使用脉宽调制来生成三相交流输出电压的波形。在下文中将结合本发明的矩阵变换器对脉宽调制进行详细描述，不过在图1中，脉宽调制基本上是指把输出线O1至O3的每一条与输入线I1至I3的每一条按照特定的顺序相连接并且持续预先选定的时间段。因此三相交流输出电压是由三相输入电压的各部分构成的。通常根据特定的调制策略而控制打开和闭合开关S1至S9。
传统矩阵变换器的主要问题之一是缺少自然的续流路径(freewheel path)。因此开关的操作必须被仔细地控制。如果输出线被同时连接到两条或更多条输入线会导致短路，并且所产生的大电流可能对矩阵变换器造成严重的破坏甚至将其损毁。另一方面，如果输出线未连接到任意一条输入线，则感应电流负载没有通路，而这会导致较大的过电压。应该理解，现有的半导体开关无法以所需的精度来闭合和打开，因此无法在不使用有序整流的情况下预防矩阵变换器的输出线上的短路和开路。在Dr Wheeler，P.、Dr Clare，J.和DrEmpringham，L.的“Bidirectional Switch Commutation for MatrixConverters”(EPE’99-Lausanne)中描述了一种可能的四步整流策略。在根据本发明的矩阵变换器中这个问题得以解决。
也可以把矩阵变换器用作整流器以向负载提供直流输出电压。Otis电梯公司的美国专利6,166,930描述了一种用于把三相交流输入电压直接连接到直流电梯电动机的矩阵变换器。该矩阵变换器具有三条用于接收三相交流输入电压的输入线和两条用于把直流输出电压提供到电梯电动机的直流励磁绕组的输出线。六个使用IGBT实现的双向开关允许三条输入线中的任意一条连接到输出线中的任意一条，对六个双向开关使用脉宽调制顺次进行控制以在电梯电动机的输入端提供所需的直流电压波形。电梯电动机用于驱动悬挂有电梯厢和配重的滑轮。当电梯厢减速例如当电梯厢带着小于额定载荷的载荷上升时或者当电梯厢带着大于额定载荷的载荷下降时，该电梯电动机也能够运行于再生模式。双向开关允许电流以从交流到直流或直流到交流的任一方向流动，其中当电梯电动机处于正常操作(电动回转模式)时从交流到直流，在再生模式下从直流到交流。双向开关也允许电流以正或负的直流电压极性流动。
尽管传统的矩阵变换器通常用作单级功率变换器，它们也可以用作二级功率变换器的一部分。Klumpner，C.和Blaabjerb，F.的“Twostage direct power converters：an alternative to the matrixconverter”(IEE Seminar，Matrix Converts，1 April 2003，AustinCourt)中参考图3(b)描述了一种由用作整流级的矩阵变换器和逆变级组成的二级直接功率变换器，其中在逆变级中IGBT和FRD的阵列连接在一起形成电压源逆变器(VSI)。由二极管和电容器串联组成的电涌放电器跨接该二级变换器的直流链路。这不是续流路径。
发明内容
本发明提供一种矩阵变换器，包括：
三条交流电压线；
两条直流电压线；
连接在所述三条交流电压线的第一条和所述两条直流电压线的第一条之间的第一开关，连接在所述三条交流电压线的第二条和所述两条直流电压线的第一条之间的第二开关，连接在所述三条交流电压线的第三条和所述两条直流电压线的第一条之间的第三开关，连接在所述三条交流电压线的第一条和所述两条直流电压线的第二条之间的第四开关，连接在所述三条交流电压线的第二条和所述两条直流电压线的第二条之间的第五开关，和连接在所述三条交流电压线的第三条和所述两条直流电压线的第二条之间的第六开关，于是当相关的开关闭合时，所述三条交流电压线中的每一条都可以连接到所述两条直流电压线中的一条；以及
两条直流电压线之间的续流路径。
该矩阵变换器可被用作包括逆变级的二级功率变换器中的第一级。该矩阵变换器也可以用于供给直流负载，或者用于调节供给至电力网或供电网的电源。
二级功率变换器的逆变级优选地是电压源逆变器(VSI)或者电流源逆变器。然而应该理解，依据特定的应用也可以使用任何其它适用的逆变器。这样的逆变器也可以为再生的目的而被操作为整流器。功率变换器优选地也包括跨接矩阵变换器的直流电压线的直流链路滤波器，和交流线路滤波器。
二级功率变换器可用于使变速驱动装置连接到供电网。例如，可以从电力网或供电网把固定频率的三相交流输入电压提供到矩阵变换器。矩阵变换器对该三相交流输入电压进行整流，所得的直流输出电压被直流链路滤波器滤波并被提供到逆变级。然后逆变级可以受控为变速驱动装置提供变频的交流输出电压。
在另一种应用中，矩阵变换器可用于使变速发电机连接到电力网或供电网。发电机可以由原动机或涡轮机驱动。应该理解，电力网或供电网的电压和频率必须被调节以保持在精确的界限内。因此可以使用矩阵变换器对响应于发电机规律的逆变器的可变直流输出电压进行变换，以符合这些精确的界限。按照这种方式，矩阵变换器可用于将低失真的交流电流供给到现有的已通电的供电网(由其它的发电系统供电)以向大型电力网或供电网贡献电力。或者，通过把来自发电机的直流链路电源转换成符合这些精确界限的低失真的电压和电流源，该矩阵变换器可以用作电力网或者供电网的单独电力源。可以对许多此类矩阵变换器和发电机进行协同操作以提供高质量的电源。
应该理解，被配置为仅在发电模式下运行以把来自发电机的直流链路电源供给到电力网或供电网的矩阵变换器可被认为等同于电流源逆变器。本发明的重要性是矩阵变换器能够调节双向的功率通量，同时保持单向的直流链路电压，即其直流电流是双向的。传统的电流源逆变器能够通过允许其直流端电压翻转来调节双向的功率通量，即其直流电流是单向的。在根据本发明的矩阵变换器中的单向直流电压具体而言是用于允许续流路径以提供益处。
在另一种应用中，可以以与上文所述相同的方式来使用矩阵变换器，不过带有附加的能够运行在电动回转模式下的益处。换句话说，发电机可以被操作为由电力网或供电网供电的电动机。矩阵变换器的电动回转能力有益于试运行和测试的目的，其中发电机必须在不需要原动机或涡轮机提供的功率的情况下运转。电动回转模式也可用于使发电机能够用作电动机，以为了试运行和测试的目的启动原动机或者使原动机旋转。
尽管根据本发明的矩阵变换器包括两条直流电压线之间的续流路径，但是其按照与传统矩阵变换器类似的方式工作，即通过使用脉宽调制而顺次地控制打开和闭合开关，使得三条交流电压线中的每一条可被连接到两条直流电压线，并且可与其隔离。
续流路径优选地包括二极管。然而该续流路径可以包括晶闸管或者任意其它适用的反向阻断器件比如反向阻断绝缘栅双极型晶体管(RB-IGBT)或反向阻断型门极可关断晶闸管(RB-GTO)，而不是二极管，这样续流路径可以在功率变换器运行期间的某些时刻被接通(或启用)以及在其它时刻被断开(或禁用)。
增加续流路径代表着与传统矩阵变换器的重要差别，并且在通过把每条交流电压线连接到任意极性的两条直流电压线所提供三种状态、以及通过把两条直流电压线连接到同一交流电压线所提供的第四状态之外提供了“第五状态”。在“第五状态”中，全部矩阵开关被操作断开以使得直流电压线不与任意一条交流电压线相连接。感应电流负载被允许流经续流路径，而不会导致大的过电压。如果矩阵变换器用于将直流输出电压脉宽调制为较低的电平的电动回转应用，则“第五状态”可以占用较大的时间比例，这会因续流路径具有较低的传导损耗而导致与传统矩阵变换器相比显著减小了耗散和提高了效率。“第五状态”的另一个优点是减少了脉宽调制的共模电压。
第一、第二、第三、第四、第五和第六开关可以是单向的。这使得该矩阵变换器可以用于电动回转应用(即其中三相输入交流电压被提供到交流电压线)或者用于发电应用(即其中直流输入电流被提供到直流电压线)，但是不能同时用于二者。用于电动回转应用时，矩阵变换器对三相交流输入电压进行整流并且把直流输出电压提供给功率变换器的逆变级。用于供电应用时，矩阵变换器对三相交流输入电压进行整流并且把直流输出电压按需经过滤波器及其它电力电子级提供给负载。用于发电应用时，矩阵变换器把输入的直流电流翻转并提供三相交流输出电压。该矩阵变换器可以用于发电应用，但是本发明的主要益处仅在把矩阵变换器用于电动回转和供电应用时得以体现。
第一、第二、第三、第四、第五和第六单向开关优选地包括半导体器件。半导体器件可具有反向阻断的能力，比如RB-IGBT或RB-GTO。或者，第一、第二、第三、第四、第五和第六开关可以包括串联的半导体开关和二极管。半导体开关优选地是IGBT，但是应该理解，半导体开关也可以是任意其它适用的固态器件比如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、集成门极换流晶闸管(IGCT)、MOS控制晶闸管(MCT)和门极可关断晶闸管(GTO)。当一对半导体开关闭合时，取决于半导体开关和二极管的极性，电流可以从与第一半导体开关相关联的交流电压线流向直流正极电压线并且从直流负极电压线流向与第二半导体开关相关联的交流电压线(电动回转应用)，或者从直流正极电压线流向与第一半导体开关相关联的交流电压线并且从与第二半导体开关相关联的交流电压线流向直流负极电压线(发电应用)。
第一、第二、第三、第四、第五和第六开关也可以是双向的。这使得矩阵变换器依据不同的环境既可以用于电动回转应用也可以用于发电应用。把第一、第二、第三、第四、第五和第六开关制成双向也允许直流输出电压带有任一极性。
第一、第二、第三、第四、第五和第六双向开关优选地包括半导体器件对。每个开关优选地包括一对背对背串联的二极管和一对与所述二极管反向并联到一起的半导体开关。半导体开关优选地是IGBT，但是应该理解，半导体开关也可以是任意其它适用的固态器件比如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、集成门极换流晶闸管(IGCT)、MOS控制晶闸管(MCT)和门极可关断晶闸管(GTO)。IGBT可以被连接成所谓的共射结构或者共集结构。当一对半导体开关中的第一个闭合时，电流可以从相关联的交流电压线经过第一半导体开关和与另一个半导体开关反向并联的二极管流向相关联的直流电压线。类似地，当另一半导体开关闭合时，电流可以从相关联的直流电压线流经另一个半导体开关和与第一半导体开关反向并联的二极管。
显然双向开关需要二倍于单向开关的半导体器件。然而，具有双向开关的矩阵变换器所能提供的增加的多用性的价值通常比这一缺点更重要。如果矩阵变换器主要用于(但不仅用于)电动回转应用或者发电应用中的一个，则该对半导体开关和/或该对二极管的电流额定值可以是不对称的。
功率变换器还可以包括连接在直流电压线之间的开关辅助网络(缓冲器)。该缓冲器可以是取决于特定应用的任意适用的类型。例如，缓冲器可以是电容电阻型。续流路径各端子所经历的任何开关电压瞬态也被形成第一、第二、第三、第四、第五和第六开关的各部分的半导体器件的任一个所经历。因此仅需要单个缓冲器。这简化了功率变换器的设计并且提高其效率。
本发明还提供了一种使用上述矩阵变换器进行功率变换的方法，该方法包括以下步骤：
把交流电压的瞬态样本提供到直流电压线以建立直流电流；以及
断开矩阵变换器的第一、第二、第三、第四、第五和第六开关以使直流电流流经续流路径。
把第一、第二、第三、第四、第五和第六开关断开将矩阵变换器置于上述的“第五状态”。此步骤无法在传统的矩阵变换器中简单地实现，因为如果输出线未连接至任何输入线，则不存在感应电流负载的自然续流路径，而这将导致大的过电压。在传统矩阵变换器中，通常采用大且复杂的直流电涌抑制电路来吸收与单脉冲抑制事件相关联的电涌能量。其并不适用于对多重脉冲抑制事件进行电涌放电。因此在直流电压线之间增加续流路径提供了解决此问题的方法，并且意味着矩阵变换器不必依赖于复杂形式的整流。
本发明还提供一种功率变换器，包括：
如上文所述的第一矩阵变换器；以及
如上文所述的第二矩阵变换器；
其中第一矩阵变换器的三条交流电压线与第二矩阵变换器的三条交流电压线连接在一起，并且第一矩阵变换器的两条直流电压线与第二矩阵变换器的两条直流电压线连接在一起，因此第一、第二矩阵变换器是并联布置的。
功率变换器优选地还包括连接到第一矩阵变换器的交流电压线的交流线路滤波器，以及连接到第二矩阵变换器的交流电压线的交流线路滤波器。
第一开关辅助网络(缓冲器)可以位于第一矩阵变换器的直流电压线之间，第二开关辅助网络(缓冲器)可以位于第二矩阵变换器的直流电压线之间。该缓冲器可以是取决于特定环境的任意适用的类型。例如该缓冲器可以是电容电阻型。
第一矩阵变换器的直流电压线和第二矩阵变换器的直流电压线优选地连接到两条共用直流电压线，并且功率变换器优选地包括连接在共用直流电压线之间的直流链路滤波器。
为了在第一、第二矩阵变换器中的一个受损或失效时启动适度降级操作，优选地提供比如开关设备或保险丝的装置来选择性地将第一、第二矩阵变换器隔离开。
应该理解功率变换器不限于并联布置的第一矩阵变换器和第二矩阵变换器。事实上，可以并联地布置三个或更多的矩阵变换器。此外，功率变换器优选地包括逆变器，该逆变器可以是例如电流源逆变器或者电压源逆变器。
附图说明
现参考附图对本发明的示例实施例进行说明，其中：
图1是示出传统的三相至三相矩阵变换器的电路图；
图2a是示出使用反向并联并且成共射结构的一对快速恢复二极管(FRD)和一对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)实现的双向开关的电路图；
图2b是示出使用串并联并且成共集结构的一对快速恢复二极管(FRD)和一对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)实现的双向开关的电路图；
图3是合并有根据本发明的矩阵变换器的二级功率变换器的电路图；
图4是适用于电动回转和发电应用的根据本发明的矩阵变换器的电路图；
图5是仅适用于电动回转应用的根据本发明的矩阵变换器的电路图；
图6是示出当直流输出线未连接到任何直流输入线时(即矩阵变换器处于“第五状态”)电流流经矩阵变换器的电路图；
图7是示出如何通过使用脉宽调制技术以获得矩阵变换器的目标电压的示意图；
图8是示出在传统矩阵变换器中如何应用脉宽调制技术的示意图；
图9是示出在根据本发明的矩阵变换器中如何应用脉宽调制技术的示意图；
图10是示出如何将开关辅助网络(缓冲器)连接在矩阵变换器的直流电压线之间的电路图；
图11是示出提供到矩阵变换器的交流输入电压的电流波形的视图；
图12是示出提供到矩阵变换器的交流输入电压的电压波形的视图；
图13是示出由矩阵变换器提供的未滤波的直流输出电压的电压波形的视图；
图14是示出由矩阵变换器提供的已滤波的直流输出电压的电压波形的视图；以及
图15是示出如何将两个根据本发明的矩阵变换器并联地连接在一起的电路图。
具体实施方式
现参考图3至图6对根据本发明的矩阵变换器的拓扑结构和操作进行说明。图3示出包含交流线路滤波器2、矩阵变换器4、直流链路滤波器6和电压源逆变器8的基本二级功率变换器。依据特定的应用可以使用任意其它适用类型的逆变器(比如电流源逆变器)来代替电压源逆变器8。功率变换器的电压源逆变器8可以使用ALSTOMVDM25000产品来实现，其来自ALSTOM Power Conversion有限公司的Marine and Offshore Division，Boughton Road，Rugby，CV211BU，United Kingdom。
矩阵变换器4包括三条标注为AC1、AC2、和AC3的交流电压线以及两条标注为DC1和DC2的直流电压线。六个开关装置10a到10f允许交流电压线AC1、AC2、和AC3中的任意一条连接到直流电压线DC1和DC2中的任意一条。例如，开关装置10a可以把第一交流电压线AC1连接到第一直流电压线DC1，开关装置10b可以把第一交流电压线AC1连接到第二直流电压线DC2等等。开关装置10a至10f可以是单向的或者双向的，这取决于矩阵变换器是用于电动回转应用还是发电应用。
在电动回转应用中，来自供电网的三相交流输入电压被提供到交流电压线AC1、AC2、和AC3并且被矩阵变换器进行整流以将直流输出电压提供到直流电压线DC1和DC2。直流输出电压被提供给电压源逆变器8，该直流输出电压在其中被翻转。来自二级功率变换器的所得交流输出电压为了例如速度控制的目的可以被提供给电动机(未示出)。
在发电应用中，直流输入电流被提供到直流电压线DC1和DC2上并且被矩阵变换器4翻转，以将交流输出电压提供到交流电压线AC1、AC2、和AC3。有必要注意到，尽管矩阵变换器4可以用于发电应用，本发明的主要益处仅在电动回转应用中体现。
参考图4，如果矩阵变换器4要用于电动回转和发电应用，则电流必须能够双向地通过开关装置10a至10f中的每一个。因此开关装置10a至10f中的每一个都包括成串并联结构的一对背靠背的IGBT器件12和二极管14。
如果认为两个开关装置10c和10b是隔离的，则可以看到：用于电动回转应用时，如果这两个开关是闭合的并且第二直流电压线DC2中的电压相对于第一直流电压线DC1中的电压为正极性时，电流可以在第一、第二交流电压线AC1、AC2和直流电压线DC1、DC2之间循环流动，其经过IGBT器件12b和二极管14a以及IGBT器件12c和二极管14d，并通过交流线路滤波器电容16a。用于电动回转应用的循环着的电流的路径被手绘箭头所指示。用于发电应用时，电流可以在第一、第二交流电压线AC1、AC2和直流电压线DC1、DC2之间循环流动，其经过另一个IGBT器件12a和另一个二极管14b以及另一个IGBT器件12d和另一个二极管14c，并通过交流线路滤波器电容16a。
将开关装置10a至10f制成双向的也允许电流在直流电压线DC1和DC2中带着或正或负的直流电压极性来双向地流动。
如果矩阵变换器4仅用于电动回转应用则开关装置10a至10f可以被简化为如图5所示。在这种情况下，每个开关装置仅包括单个IGBT器件12和二极管14。选定IGBT器件12和二极管14的极性以阻断反向(或发电)流动的电流。如图5所示，第二直流电压线DC2中的电压相对于第一直流电压线DC1中的电压将始终是正极性。交流线路滤波器2包括三个三角形连接的电容器16a、16b和16c，其分别被布置在三条交流电压线AC1、AC2、和AC3的每两条之间。应该理解，电容器也可以按照星形结构连接在一起。直流链路滤波器6包括布置在两条直流电压线DC1和DC2之间的电容器18以及串联电感器20。
根据本发明的矩阵变换器4的本质特征是在直流电压线DC1和DC2之间增加了续流路径22。这可以是开关续流路径(例如包含晶闸管)或者如所示出的简单续流二极管24。续流路径22的作用是在通过使用开关装置10a至10f把交流电压线AC1、AC2、和AC3的每一条连接到两条直流电压线DC1和DC2所提供三种状态、以及通过把两条直流电压线DC1和DC2连接到同一交流电压线所提供的第四状态之外提供“第五状态”。这参考如下所示的表1可以被很好地解释。如果矩阵变换器4正在用于电动回转应用，则应当理解到，两条直流电压线DC1和DC2(输出线)可以按照任意如下的组合连接到三条交流电压线AC1、AC2、和AC3(输入线)。
  DC1   DC2
  AC1   AC2   “第一状态”
  AC2   AC1
  AC1   AC3   “第二状态”
  AC3   AC1
  AC2   AC3   “第三状态”
  AC3   AC2
  AC1   AC1   “第四状态”
  AC2   AC2
  AC3   AC3
  -   -   “第五状态”
           表1
在“第一状态”中，直流电压线DC1和DC2中的一条连接到第一交流电压线AC1，而直流电压线DC1和DC2中的另外一条连接到第二交流电压线AC2。因此在某一特定瞬间直流电压线DC1和DC2之间的直流输出电压是来源于提供到第一和第二交流电压线AC1和AC2的交流输入电压。
在“第二状态”中，直流电压线DC1和DC2中的一条连接到第一交流电压线AC1，而直流电压线DC1和DC2中的另外一条连接到第三交流电压线AC3。因此在某一特定瞬间直流电压线DC1和DC2之间的直流输出电压是来源于提供到第一和第三交流电压线AC1和AC3的交流输入电压。
在“第三状态”中，直流电压线DC1和DC2中的一条连接到第二交流电压线AC2，而直流电压线DC1和DC2中的另外一条连接到第三交流电压线AC3。因此在某一特定瞬间直流电压线DC1和DC2之间的直流输出电压是来源于提供到第二和第三交流电压线AC2和AC3的交流输入电压。
在两条直流电压线DC1和DC2连接到同一条交流电压线的“第四状态”中，因为交流电压线短接所以没有电压输出。
矩阵变换器4还提供一种“第五状态”，其中直流电压线DC1和DC2未连接到任一交流电压线AC1、AC2、和AC3。在这种情况下，为在直流链路滤波器6中流动的电流提供经过续流二极管24的自然路径，并且不存在引发过电压的危险。图6中的箭头表示当矩阵变换器处于“第五状态”时电流的流动。在直流链路滤波器6中流动的电流由于被施加到负载上的其它状态的结果而被预先建立。
现参考图7至图9对使用脉宽调制技术生成输出直流电压的波形的方法进行说明。图7示出在一段时间内提供到交流电压线AC1、AC2、和AC3的并且相对零电压V0成对称分布的正弦三相输入交流电压VAC1、VAC2、和VAC3。左边的阴影区域代表用在不带续流路径的传统矩阵变换器中的脉宽调制技术。右边的阴影区域代表用在带有续流路径的矩阵变换器4中的脉宽调制技术。这些不同的脉宽调制技术分别在图8和图9中详细示出。在每种情况下，矩阵变换器4都被用于在直流电压线DC1和DC2之间产生直流目标电压Vt。脉宽调制将在显著大于三相交流输入电压的频率的比率下进行。对于工作在50HZ的三相交流输入电压通常采用约2kHZ的脉宽调制采样率。
参考图7中VAC1和VAC2之间的阴影区域，电压状态V1代表提供到第一交流电压线AC1的交流输入电压VAC1与提供到第三交流电压线AC3的交流输入电压VAC3之间在特定瞬间的差值。类似地，电压状态V2代表提供到第一交流电压线AC1的交流输入电压VAC1与提供到第二交流电压线AC2的交流输入电压VAC2之间在特定瞬间的差值。目标电压稍小于电压状态V1，因此有必要在电压状态V1和电压状态V2之间进行脉宽调制。因此开关装置受控将直流电压线DC1和DC2连接到适当的交流电压线AC1、AC2、和AC3，于是矩阵变换器的直流输出电压(即由直流电压线DC1和DC2提供的直流输出电压VDC1和VDC2)按照使其时间均值等于目标电压Vt的方式被脉宽调制在电压状态V1和V2之间。
图8尤其示出：第一直流电压线DC1(此处灰线代表VDC1)应当在第一时段连接到第一交流电压线AC1，然后在第二时段连接到第三交流电压线AC3，然后在第三时段连接到第一交流电压线AC1，等等。第二直流电压线DC2(此处黑线代表VDC2)应当在第一时段连接到第二交流电压线AC2，然后在第二时段连接到第一交流电压线AC1，然后在第三时段连接到第二交流电压线AC2，等等。脉宽调制的时序由如下示出的表2表示。
                    表2
  线的颜色  时段(1)  时段(2)  时段(3)
  VDC1   灰  AC1  AC3  AC1
  VDC2   黑  AC2  AC1  AC2
参考图7中VAC3和V0之间的阴影区域，本发明的矩阵变换器4受益于由续流二极管24提供的附加电压状态V0。在这种情况下，电压状态V1′代表提供到第三交流电压线AC3的交流输入电压VAC3与提供到第二交流电压线AC2的交流输入电压VAC2之间在特定瞬间的差值。目标电压Vt稍小于电压状态V1′，因此有必要在电压状态V1′和另一个电压状态之间进行脉宽调制。然而，在这种情况下，可以通过断开全部的开关装置10a至10f并且将矩阵变换器4置于“第五状态”以使用零电压状态V0。因此开关装置受控把直流电压线DC1和DC2连接到适当的交流电压线AC1、AC2、和AC3，以及不与交流电压线AC1、AC2、和AC3的任意一条相连接，于是矩阵变换器4的直流输出电压(即由直流电压线DC1和DC2提供的直流输出电压VDC1和VDC2)按照其时间均值等于目标电压Vt的形式被脉宽调制在电压状态V1′和V0之间。
更特别地参考图9，使用“第五状态”的脉宽调制的时序由如下示出的表3表示。
                     表3
  线的颜色  时段(1)  时段(2)  时段(3)
  VDC1   灰  无连接  AC2  无连接
  VDC2   黑  无连接  AC3  无连接
续流二极管24具有比开关装置10a至10f更低的传导损耗。因此将零电压V0用作附加电压状态具有减少开关器件的耗散以及提高矩阵变换器4的效率的作用。
对零电压V0的使用也能够减少矩阵变换器4的共模电压。共模电压可以方便地表达为相对于中间电压V0的(VDC1+VDC2)/2，其中VDC1是由第一直流电压线DC1提供的直流输出电压，而VDC2是由第二直流电压线DC2提供的直流输出电压。当矩阵变换器4工作在“第五状态”即直流电压线DC1和DC2未连接到交流电压线AC1、AC2、和AC3中的任意一条并且电流在续流二极管24中流动时，应该理解，在零电压V0和直流电压线DC1、DC2之间不存在共模电压。当矩阵变换器4被脉宽调制以输出低直流输出电压时，续流二极管24在大部分的时间充当导体，而脉宽调制策略被赋予最大可能的自由来开发使直流电压线DC1和DC2上的共模电压最小化的开关状态。这将减少负载系统和功率变换器设备绝缘方面的压力。它也有益于电磁兼容性(EMC)。
矩阵变换器4可以包括缓冲器来优化开关损耗、组件指标、和EMC。可用的缓冲器的最简单类型是在图10中示出的串联电容电阻型30。然而应该理解，任意适用类型的缓冲器可以用于矩阵变换器4。缓冲器工作的基本原理如下文所述。当半导体器件进行整流时能量滞留在杂散电感中，而此电感通过产生与电流的任何变化相反的瞬时电压来对抗半导体器件中的整流行为。相应的瞬时电压施加在半导体器件上。此瞬时电压严重地影响半导体的峰值电压以及开关耗散额定值。缓冲器被并联连接到半导体器件(即串联于任何电流被半导体器件干扰的杂散电感)。当半导体器件进行整流时，瞬时电压驱动电流流入缓冲器。缓冲器的主要的电容特性起到以有益于半导体器件的额定值和EMC的方式来缓冲系统的瞬时动作的作用，与此同时为缓冲器带来不良损耗。
参考图10，其中示出与续流二极管24并联连接的单电容电阻型缓冲器30。未对开关装置10a至10f应用缓冲器。这是因为无论矩阵变换器4应用何种开关状态，缓冲器30始终与杂散电感串联。因此无论整流是被续流二极管24、单个开关装置、还是被矩阵变换器4中两个开关装置的同步操作所启动，缓冲器30都提供阻尼衰减。换句话说，缓冲器30的益处被施加到续流二极管24及以外的全部开关装置10a至10f上。这提升了矩阵变换器4的效率并且大大简化了电路设计。
在更进一步的情况下，比如当开关装置10a至10f与续流二极管24是由两个或更多的半导体器件串联组成时，则通常把专用的缓冲器用于串联均压。增加与续流二极管24并联的缓冲器30意味着专用缓冲器的额定值和复杂度可以降低。因此可以采用传统的N+1串联冗余策略而不用降低矩阵变换器4的整体效率。
图11和图12示出提供到矩阵变换器4的交流电压线AC1、AC2、和AC3上的三相交流供电电压的典型的电流波形与电压波形。图13示出由矩阵变换器4生成的未经滤波的直流输出电压的波形。最后，图14示出矩阵变换器4的经直流链路滤波器6滤波调节后的直流输出电压的波形。该波形演示出矩阵变换器4保持着传统矩阵变换器的高供电功率系数和低供电失真。在图11和图12中电流和电压为同相示出，这在某些应用中是必要的。根据本发明的矩阵变换器具有与传统矩阵变换器类似的控制供电功率系数的能力。
在图15中示出作为可选方案的不带逆变器的功率变换器。该功率变换器由包括第一交流线路滤波器102a、第一矩阵变换器104a和第一直流链路扼流器(或电感器)106a的第一并联路径，以及包括第二交流线路滤波器102b、第二矩阵变换器104b和第二直流链路扼流器(或电感器)106b的第二并联路径组成。尽管图15的功率变换器包括第一并联路径和第二并联路径，但应该理解，作为可选方案的功率变换器可以包括任意数量的并联路径。
第一矩阵变换器104a包括标注为AC1a、AC2a、和AC3a的三条交流电压线，以及标注为DC1a和DC2a的两条直流电压线。六个开关装置108a至108f允许交流电压线AC1a、AC2a、和AC3a中的任意一条连接到直流电压线DC1a和DC2a中的任意一条。例如，开关装置108a可以把第一交流电压线AC1a连接到第一直流电压线DC1a，开关装置108b可以把第一交流电压线AC1a连接到第二直流电压线DC2a，等等。开关装置108a至108f可以是单向的或者双向的，这取决于第一矩阵变换器104a是用于电动回转应用还是发电应用。在直流电压线DC1a和DC2a之间提供有续流二极管124a。续流二极管124a的作用是为第一矩阵变换器104a提供如上文所述的“第五状态”。
第一交流线路滤波器102a包括被布置在三条交流电压线AC1a、AC2a、和AC3a的每两条之间的三个电容器112a、112b和112c。
第二矩阵变换器104b包括标注为AC1b、AC2b、和AC3b的三条交流电压线，以及标注为DC1b和DC2b的两条直流电压线。六个开关装置110a至110f允许交流电压线AC1b、AC2b、和AC3b中的任意一条连接到直流电压线DC1b和DC2b中的任意一条。例如，开关装置110a可以把第一交流电压线AC1b连接到第一直流电压线DC1b，开关装置110b可以把第一交流电压线AC1b连接到第二直流电压线DC2b，等等。开关装置110a至110f可以是单向的或者双向的，这取决于第二矩阵变换器104b是用于电动回转应用还是发电应用。在直流电压线DC1b和DC2b之间提供有续流二极管124b。续流二极管124b的作用是为第二矩阵变换器104b提供如上文所述的“第五状态”。
第二交流线路滤波器102b包括被布置在三条交流电压线AC1b、AC2b、和AC3b的每两条之间的三个电容器114a、114b和114c。
第一和第二矩阵变换器104a和104b按照与上述矩阵变换器相同的方式工作。
第一矩阵变换器104a的交流电压线AC1a、AC2a、和AC3a与第二矩阵变换器104b的交流电压线AC1b、AC2b、和AC3b被连接到三条共用交流电压线AC1c、AC2c、和AC3c。类似地，第一矩阵变换器104a的直流电压线DC1a和DC2a与第二矩阵变换器104b的直流电压线DC1b和DC2b被连接到两条共用直流电压线DC1c和DC2c。直流链路滤波器116包括被布置在两条共用直流电压线DC1c和DC2c之间的电容器118。
在电动回转应用中，来自供电网的三相交流输入电压被提供到共用交流电压线AC1c、AC2c、和AC3c并且被第一和第二矩阵变换器104a和104b进行整流，从而将直流输出电压提供到共用直流电压线DC1c和DC2c上。直流输出电压被提供给逆变器(未示出，但可以是例如电压源逆变器)，该直流输出电压在其中被翻转。从该逆变器中产生的交流输出电压可以用于驱动例如变速驱动装置(未示出)。
在发电应用中，直流输入电压被提供到共用直流电压线DC1c和DC2c上并且被矩阵变换器104a和104b翻转，从而将交流输出电压提供到共用交流电压线AC1c、AC2c、和AC3c上。有必要注意到，尽管第一和第二矩阵变换器104a和104b可以用于发电应用，但是本发明的主要益处仅在电动回转应用中体现。
由于第一和第二矩阵变换器104a和104b被连接到共用交流电压线AC1c、AC2c、和AC3c和共用直流电压线DC1c和DC2c，并且它们被交流线路滤波器102a、102b和电容器118滤波，因此每个矩阵变换器的脉宽调制开关损耗是与另外一个矩阵变换器解耦的。这意味着在功率变换器工作期间内的任何时刻，第一和第二矩阵变换器中的一个可以被脉冲抑制，同时另外一个矩阵变换器依据脉宽调制策略而受到控制。在提供许多并联路径的一般情况下，随着更多的矩阵变换器被脉冲抑制，由脉宽调制的开关损耗导致的耗散减少，但是由半导体器件的传导损耗导致的耗散增加。被脉冲抑制的矩阵变换器的数量与依据传统脉宽调制策略而受控的矩阵变换器的数量可以被设置以使整体的耗散损失最优化，从而使功率变换器的效率最大化。当许多并联的矩阵变换器被同时操作时，它们将以带有同相的基本电压并且以提供电流共享的方式被脉宽调制。脉宽调制的载波优选地被移相以将电源电压失真降至最低。当被脉冲抑制时，全部的开关器件将被持续断开，而且被脉冲抑制的矩阵变换器将不承载任何交流线路电流。被脉冲抑制的矩阵变换器的续流二极管将在某些环境中承载电流脉冲，例如当共用直流电压线DC1c和DC2c上存在低直流电压时。
尽管未示出仍应该理解，可以提供开关装置或其它适当的装置来将第一和第二矩阵变换器104a和104b彼此隔离开。在第一和第二矩阵变换器104a和104b中的一个遭受突然故障的情况下，可以将其安全地隔离并且提供传统的N+1并联冗余。通常可以提供开关设备或者保险丝来将一个或多个矩阵变换器的交流和/或直流端子与较大的矩阵变换器组隔离开。因此可以避免损坏的或者失效的矩阵变换器致使正常工作的矩阵变换器无法服务的情况，从而提供适度降级的系统。
第一和第二矩阵变换器104a和104b的脉宽调制载波可以使流动在交流线路滤波器102a和102b中的波纹电流的相位抵消最优化的方式进行移相。因此可以简化交流线路滤波器102a和102b的设计并且使EMI最小化。尤其是，矩阵变换器104a和104b以脉宽调制的采样频率将由电感器106a和106b中的电流确定幅值的电流脉冲导入交流线路滤波器102a和102b。结果，交流线路滤波器102a和102b承受到以脉宽调制的采样频率出现的电压波纹。因此脉动电流可能被移相以便于谐波消除并减少电压失真。
单个缓冲器(未示出，例如电容电阻型)可以并联于续流二极管124a和124b的每一个。因此每个并联路径均包含单个缓冲器。通过这种方式，使每个并联路径中的缓冲器的瞬态响应与其它并联路径中的缓冲器的瞬态响应解耦。其结果是，任意一条并联路径中的矩阵变换器可以被脉冲抑制，而不会导致与其它并联路径中的矩阵变换器的脉宽调制操作相关联的开关损耗。如上文所述，被脉冲抑制的矩阵变换器的数量和依据脉宽调制策略受控的矩阵变换器的数量可以被按需设定以使功率变换器的效率最优化(这将是半导体传导损耗与整体开关损耗之间的折衷)。于是可以采用传统的N+1并联冗余策略而不用降低功率变换器的整体效率。
在上文中纯以示例的形式对本发明进行了说明，并且可以做出符合权利要求所限定的本发明的范围的修改。本发明同样存在于在文中描述或隐含、或者在图中示出或隐含的任意个别特征，或者任意此类特征的任意组合，或者扩展成为其等价物的任意此类特征或组合的任意概括之中。因此，本发明的广度和范围不应受任意上述示例性实施例的限制。除非另有明确声明，否则在说明书(包括权利要求和附图)中公开的每个特征都可以被具有相同的、等价的或类似的用途的替代特征取代。
说明书中所有对现有技术的讨论都不意味着承认此现有技术是广泛公知的或者此现有技术系本领域一般常识的一部分。
除非上下文另有明确要求，否则贯穿说明书和权利要求全文的词“包含”、“包括”等应当被解释为与排他的或穷举的含义相反的包容性的含义；也即，“包括，但不限于”的含义。

Claims (51)

1.一种矩阵变换器，包括：
三条交流电压线；
两条直流电压线；
连接在所述三条交流电压线的第一条和所述两条直流电压线的第一条之间的第一开关，连接在所述三条交流电压线的第二条和所述两条直流电压线的第一条之间的第二开关，连接在所述三条交流电压线的第三条和所述两条直流电压线的第一条之间的第三开关，连接在所述三条交流电压线的第一条和所述两条直流电压线的第二条之间的第四开关，连接在所述三条交流电压线的第二条和所述两条直流电压线的第二条之间的第五开关，和连接在所述三条交流电压线的第三条和所述两条直流电压线的第二条之间的第六开关，于是当相关联的开关闭合时，所述三条交流电压线中的每一条都可以连接到所述两条直流电压线中的一条；以及
所述两条直流电压线之间的续流路径。
2.如权利要求1所述的矩阵变换器，其中续流路径包含二极管。
3.如权利要求1所述的矩阵变换器，其中该续流路径是开关续流路径。
4.如权利要求3所述的矩阵变换器，其中该开关续流路径包含晶闸管。
5.如权利要求3所述的矩阵变换器，其中该开关续流路径包含具有反向阻断能力的半导体器件。
6.如权利要求5所述的矩阵变换器，其中该半导体器件是RB-IGBT。
7.如权利要求5所述的矩阵变换器，其中该半导体器件是RB-GTO。
8.如任意前述权利要求所述的矩阵变换器，其中所述第一、第二、第三、第四、第五和第六开关是单向的。
9.如权利要求8所述的矩阵变换器，其中所述第一、第二、第三、第四、第五和第六开关包含半导体开关。
10.如权利要求9所述的矩阵变换器，其中该半导体开关具有反向阻断能力。
11.如权利要求9或权利要求10所述的矩阵变换器，其中该半导体开关是RB-IGBT。
12.如权利要求9或权利要求10所述的矩阵变换器，其中该半导体开关是RB-GOT。
13.如权利要求8所述的矩阵变换器，其中所述第一、第二、第三、第四、第五和第六开关包含串联在一起的半导体开关和二极管。
14.如权利要求13所述的矩阵变换器，其中该半导体开关是IGBT。
15.如权利要求13所述的矩阵变换器，其中该半导体开关是MOSFET。
16.如权利要求13所述的矩阵变换器，其中该半导体开关是IGCT。
17.如权利要求13所述的矩阵变换器，其中该半导体开关是MCT。
18.如权利要求13所述的矩阵变换器，其中该半导体开关是GTO。
19.如权利要求13所述的矩阵变换器，其中该二极管是FRD。
20.如权利要求1至7中任意一项所述的矩阵变换器，其中所述第一、第二、第三、第四、第五和第六开关是双向的。
21.如权利要求20所述的矩阵变换器，其中所述第一、第二、第三、第四、第五和第六开关包含半导体开关。
22.如权利要求21所述的矩阵变换器，其中该半导体开关具有反向阻断能力。
23.如权利要求22所述的矩阵变换器，其中该半导体开关是RB-IGBT。
24.如权利要求22所述的矩阵变换器，其中该半导体开关是RB-GOT。
25.如权利要求21所述的矩阵变换器，其中所述第一、第二、第三、第四、第五和第六开关包含以串并联排列连接在一起的一对背对背半导体开关和一对二极管。
26.如权利要求25所述的矩阵变换器，其中该对半导体开关是IGBT。
27.如权利要求26所述的矩阵变换器，其中该对IGBT的发射极连接在一起。
28.如权利要求26所述的矩阵变换器，其中该对IGBT的集电极连接在一起。
29.如权利要求25所述的矩阵变换器，其中该对半导体开关是MOSFET。
30.如权利要求25所述的矩阵变换器，其中该对半导体开关是IGCT.
31.如权利要求25所述的矩阵变换器，其中该对半导体开关是MCT。
32.如权利要求25所述的矩阵变换器，其中该对半导体开关是GTO。
33.如权利要求25所述的矩阵变换器，其中该对二极管是FRD。
34.如权利要求25至33中的任意一项所述的矩阵变换器，其中该对半导体开关和/或该对二极管的电流额定值是不对称的。
35.一种使用如任意前述的权利要求所述的矩阵变换器的功率变换方法，该方法包括以下步骤：
将交流电压的瞬时样本提供到直流电压线；并且
断开所述矩阵变换器的第一、第二、第三、第四、第五和第六开关从而使直流电流流经续流路径。
36.一种功率变换器包括：
如权利要求1至34中的任意一项所述的矩阵变换器；以及逆变器。
37.如权利要求36所述的功率变换器，其中该逆变器是作为逆变器或整流器运行的电流源逆变器。
38.如权利要求37所述的功率变换器，其中该逆变器是作为逆变器或整流器运行的电压源逆变器。
39.如权利要求36至38中的任意一项所述的功率变换器，还包括连接在所述矩阵变换器的直流电压线之间的直流链路滤波器。
40.如权利要求36至39中的任意一项所述的功率变换器，还包括连接到所述矩阵变换器的交流电压线的交流线路滤波器。
41.如权利要求36至40中的任意一项所述的功率变换器，还包括连接在所述矩阵变换器的直流电压线之间的开关辅助网络。
42.如权利要求41所述的功率变换器，其中该开关辅助网络属于电容电阻型。
43.一种功率变换器包括：
如权利要求1至34中的任意一项所述的矩阵变换器的第一矩阵变换器；以及
如权利要求1至34中的任意一项所述的矩阵变换器的第二矩阵变换器；
其中第一矩阵变换器的三条交流电压线与第二矩阵变换器的三条交流电压线连接在一起，并且第一矩阵变换器的两条直流电压线与第二矩阵变换器的两条直流电压线连接在一起，从而将第一和第二矩阵变换器并联地布置。
44.如权利要求43所述的功率变换器，还包括连接到所述第一矩阵变换器的交流电压线的交流线路滤波器以及连接到所述第二矩阵变换器的交流电压线的交流线路滤波器。
45.如权利要求43或权利要求44所述的功率变换器，还包括所述第一矩阵变换器的直流电压线之间的第一开关辅助网络，以及所述第二矩阵变换器的直流电压线之间的第二开关网络。
46.如权利要求45所述的功率变换器，其中所述第一和第二开关辅助网络属于电容电阻型。
47.如权利要求43至46的任意一项所述的功率变换器，其中所述第一矩阵变换器的直流电压线与所述第二矩阵变换器的直流电压线被连接到两条共用直流电压线，并且还包括连接在共用直流电压线之间的直流链路滤波器。
48.如权利要求43至47中的任意一项所述的功率变换器，还包括用于选择性地将所述第一和第二矩阵变换器彼此隔开的装置。
49.如权利要求43至38中的任意一项所述的功率变换器，还包括逆变器。
50.如权利要求49所述的功率变换器，其中该逆变器是电流源逆变器。
51.如权利要求49所述的功率变换器，其中该逆变器是电压源逆变器。
CN2005800430831A 2004-12-16 2005-12-16 矩阵变换器 Expired - Fee Related CN101080865B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB0427626A GB2421365B (en) 2004-12-16 2004-12-16 Matrix converters
GB0427626.7 2004-12-16
PCT/GB2005/004907 WO2006064279A1 (en) 2004-12-16 2005-12-16 Matrix converters

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101080865A true CN101080865A (zh) 2007-11-28
CN101080865B CN101080865B (zh) 2010-06-09

Family

ID=34090192

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2005800430831A Expired - Fee Related CN101080865B (zh) 2004-12-16 2005-12-16 矩阵变换器

Country Status (15)

Country Link
US (1) US7944723B2 (zh)
EP (1) EP1836763B1 (zh)
JP (1) JP5022910B2 (zh)
CN (1) CN101080865B (zh)
AT (1) ATE470260T1 (zh)
AU (1) AU2005315333B2 (zh)
BR (1) BRPI0519063A2 (zh)
DE (1) DE602005021701D1 (zh)
DK (1) DK1836763T3 (zh)
ES (1) ES2346772T3 (zh)
GB (1) GB2421365B (zh)
NO (1) NO20073555L (zh)
NZ (1) NZ555449A (zh)
PT (1) PT1836763E (zh)
WO (1) WO2006064279A1 (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101847888A (zh) * 2009-03-27 2010-09-29 通用汽车环球科技运作公司 单位功率因数的隔离的单相矩阵变换器电池充电器
CN102035398A (zh) * 2009-09-29 2011-04-27 Abb瑞士有限公司 直接转换器以及具有这种直接转换器的系统
CN103003145A (zh) * 2010-06-08 2013-03-27 通用电气能源电力转化技术有限公司 配电系统
CN104682351A (zh) * 2015-02-13 2015-06-03 中南大学 基于数学构造调制的矩阵变换器开路故障容错控制方法
CN111293893A (zh) * 2020-02-26 2020-06-16 湖南人文科技学院 三相模块化隔离矩阵变换器拓扑结构

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006039975B4 (de) * 2006-08-25 2012-01-12 Semikron Elektronik Gmbh & Co. Kg Niederinduktives Leistungshalbleitermodul für stromeingeprägte Leistungsschaltungen
DE102008016840A1 (de) * 2008-04-01 2009-10-08 Universität Siegen Schaltbarer Freilaufkreis für Matrixumrichter
KR20110110783A (ko) * 2009-01-29 2011-10-07 브루사 일렉트로닉 아게 단상과 3상 동작을 위한 컨버터, ｄｃ 전압원 및 배터리충전기
CA2763943C (en) * 2009-06-18 2016-11-08 Abb Technology Ag An arrangement for exchanging power
CN102458912B (zh) 2009-06-24 2014-06-04 布鲁萨电子公司 用于机动车配电的电路装置
EP2589136B1 (en) 2010-06-29 2018-03-21 Brusa Elektronik AG Voltage converter
US9543853B2 (en) * 2011-06-03 2017-01-10 The Texas A&M University System Sparse and ultra-sparse partial resonant converters
DE102011083645A1 (de) 2011-09-28 2013-03-28 Infineon Technologies Ag Batterie-Ladegerät
DE102011089679A1 (de) * 2011-12-22 2013-06-27 Robert Bosch Gmbh Kommutierungszelle mit statisch entlasteter Diode
US9685878B2 (en) * 2013-12-03 2017-06-20 Board Of Trustees Of The University Of Arkansas AC line connector with intermediate DC link
CN104578725B (zh) * 2014-12-29 2017-06-13 南京航空航天大学 可输出交流电压和直流电压的双级式矩阵变换器拓扑结构
US9917543B1 (en) 2016-10-19 2018-03-13 Wisconsin Alumni Research Foundation Inverter for common mode voltage cancellation
US10594227B1 (en) * 2019-03-22 2020-03-17 Hamilton Sundstrand Corporation Matrix converter operating in current control mode using feed forward signals

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA1130482A (en) * 1979-04-12 1982-08-24 Canadian General Electric Company Limited Mine hoist drive
JPS61121773A (ja) * 1984-11-14 1986-06-09 Japanese National Railways<Jnr> 交流直流電力変換装置の制御方式
JP3251628B2 (ja) * 1992-03-06 2002-01-28 三菱電機株式会社 エレベーターの速度制御装置
JPH11238185A (ja) 1998-02-24 1999-08-31 Hochiki Corp 減光式煙感知器
US6166930A (en) * 1999-05-12 2000-12-26 Otis Elevator Company Reduced common voltage in a DC matrix converter
US6163472A (en) * 1999-05-12 2000-12-19 Otis Elevator Company Elevator DC motor drive with unity power factor, including regeneration
JP3736997B2 (ja) * 1999-08-25 2006-01-18 高周波熱錬株式会社 パルス幅変調制御式コンバータ
US6442051B1 (en) * 2000-10-31 2002-08-27 General Electric Company Full thyristor bridge circuit with free wheeling diode for de-excitation control and stability sensing
JP2002298320A (ja) 2001-03-28 2002-10-11 Seiko Epson Corp 磁気記録再生装置及び画像記録装置
US20030090225A1 (en) * 2001-11-14 2003-05-15 Posma Bonne W. Controller for two DC traction motors
JP2003164140A (ja) * 2001-11-27 2003-06-06 Mitsubishi Electric Corp 半導体変換回路及び回路モジュール
JP2003230279A (ja) * 2002-01-31 2003-08-15 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 交流‐直流電力変換装置
FI113720B (fi) * 2002-06-13 2004-05-31 Abb Oy Menetelmä suuntaajasiltojen yhteydessä
CN1484213A (zh) * 2002-09-17 2004-03-24 王晓峰 大屏幕发光二极管亮度控制方法及装置
JP4722372B2 (ja) * 2002-10-11 2011-07-13 ダイキン工業株式会社 相電流検出装置
US7148660B2 (en) * 2004-09-30 2006-12-12 General Electric Company System and method for power conversion using semiconductor switches having reverse voltage withstand capability

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101847888A (zh) * 2009-03-27 2010-09-29 通用汽车环球科技运作公司 单位功率因数的隔离的单相矩阵变换器电池充电器
CN101847888B (zh) * 2009-03-27 2014-06-04 通用汽车环球科技运作公司 单相矩阵变换器电池充电器以及充电方法
CN102035398A (zh) * 2009-09-29 2011-04-27 Abb瑞士有限公司 直接转换器以及具有这种直接转换器的系统
CN102035398B (zh) * 2009-09-29 2015-11-25 Abb瑞士有限公司 直接转换器以及具有这种直接转换器的系统
CN103003145A (zh) * 2010-06-08 2013-03-27 通用电气能源电力转化技术有限公司 配电系统
CN103003145B (zh) * 2010-06-08 2016-06-29 通用电气能源电力转化技术有限公司 配电系统及控制配电系统的方法
CN104682351A (zh) * 2015-02-13 2015-06-03 中南大学 基于数学构造调制的矩阵变换器开路故障容错控制方法
CN104682351B (zh) * 2015-02-13 2018-07-13 中南大学 基于数学构造调制的矩阵变换器开路故障容错控制方法
CN111293893A (zh) * 2020-02-26 2020-06-16 湖南人文科技学院 三相模块化隔离矩阵变换器拓扑结构

Also Published As

Publication number Publication date
AU2005315333B2 (en) 2010-06-24
GB2421365A (en) 2006-06-21
ATE470260T1 (de) 2010-06-15
DK1836763T3 (da) 2010-09-20
BRPI0519063A2 (pt) 2008-12-23
WO2006064279A1 (en) 2006-06-22
AU2005315333A2 (en) 2006-06-22
EP1836763B1 (en) 2010-06-02
JP5022910B2 (ja) 2012-09-12
EP1836763A1 (en) 2007-09-26
GB2421365B (en) 2007-12-27
JP2008524978A (ja) 2008-07-10
US7944723B2 (en) 2011-05-17
NO20073555L (no) 2007-09-17
DE602005021701D1 (de) 2010-07-15
AU2005315333A1 (en) 2006-06-22
NZ555449A (en) 2010-02-26
PT1836763E (pt) 2010-07-15
ES2346772T3 (es) 2010-10-20
GB0427626D0 (en) 2005-01-19
CN101080865B (zh) 2010-06-09
US20090096518A1 (en) 2009-04-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101080865A (zh) 矩阵变换器
EP3174190A1 (en) Three level converter
KR102048168B1 (ko) 마트료시카 컨버터
JP5977287B2 (ja) マルチレベルインバータ
US11482947B2 (en) Efficient switching for converter circuit
US9219423B2 (en) Converter bridge arm suitable for high-voltage applications and application system thereof
US9148065B2 (en) Bidirectional DC-DC converter
CN109586327B (zh) 一种能量消耗装置及其控制方法
TWI539737B (zh) 五電平變換裝置
JP2005073362A (ja) 電力変換装置、モータドライブ装置、ｂｔｂシステムおよび系統連系インバータシステム
EP2560276B1 (en) Power conversion system
EP2833537A2 (en) Multilevel converter system
JP2014533485A (ja) パワーエレクトロニクスモジュール
WO2020108460A1 (en) Three-level power conversion system and method
Norrga et al. A three-phase soft-switched isolated AC/DC converter without auxiliary circuit
CN108702084A (zh) 转换器
CN107546974B (zh) 具有级联二极管电路的升压电路和逆变器拓扑
EP2891238B1 (en) A converter device and corresponding method
KR102192346B1 (ko) 직병렬회로 변경식 다단 변속 시스템 및 다단 변속 방법
US20240223103A1 (en) Efficient Switching for Converter Circuit
Rmili et al. Comprehensive analysis of Matrix Converters: indirect topology
Ding et al. High-power current source converters
Floricau et al. A new nine-level boost PWM rectifier based on stacked multilevel concepts
CN117792096A (zh) 一种非对称式输配电设备及控制方法
Narasimharao et al. A DIODE CLAMPED MULTILEVEL CONVERTER FOR INDUCTION MOTOR DRIVE

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
ASS Succession or assignment of patent right

Owner name: KANGFUDIMU UK LTD.

Free format text: FORMER OWNER: KANGFUDIMU CO., LTD.

Effective date: 20100408

C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20100408

Address after: Warrick County

Applicant after: Converteam Ltd.

Address before: Warrick County

Applicant before: Converteam Technology Ltd.

C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C56 Change in the name or address of the patentee

Owner name: CONVERTEAM ELECTROMECHANICAL UK CO., LTD.

Free format text: FORMER NAME: CONVERTEAM UK CO., LTD.

CP01 Change in the name or title of a patent holder

Address after: Warrick County

Patentee after: Converteam Ltd.

Address before: Warrick County

Patentee before: Converteam Ltd.

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20100609

Termination date: 20141216

EXPY Termination of patent right or utility model