矩陣變換器具有一系列優(yōu)點(diǎn)，但遲遲不能進(jìn)入實用階段，其重要的原因之一就在于它的電壓傳輸比比較低。
　　在現(xiàn)有矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與調(diào)制策略基礎(chǔ)上，得到的輸出輸入電壓傳輸比都小于等于1[1～3]。通過對矩陣變換器電壓傳輸比進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明可知：在希望得到輸出相電壓為正弦電壓的情況下，最大傳輸比為0.866^[4]。雖然對現(xiàn)有的調(diào)制策略進(jìn)行修正和改進(jìn)在一定程度上可以提高電壓傳輸比，但仍難以達(dá)到期望效果。若還局限于現(xiàn)有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，那么將很難進(jìn)一步提高電壓傳輸比。只有突破原有矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并采取相應(yīng)的調(diào)制策略，才有可能進(jìn)一步提高電壓傳輸比。于是，本文提出了“泵式”單相矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和相應(yīng)的調(diào)制策略，即采用一個與往復(fù)式機(jī)械泵機(jī)理相似的矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并將高頻升壓與斬波調(diào)制協(xié)調(diào)配合實現(xiàn)雙向調(diào)壓，從而使得總電壓傳輸比大于1。

1 “泵式”矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作過程
1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
　　“泵式”矩陣變換器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)^[5]如圖1所示，其中，S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂、S₀均為無延時的理想雙向功率開關(guān)管" title="開關(guān)管">開關(guān)管，L₁、C₁、L₂、C₂均工作在高頻斬波狀態(tài)。
　　開關(guān)管S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂共同構(gòu)成開關(guān)矩陣，其對應(yīng)調(diào)制矩陣為：
1.2 “泵”式矩陣變換器的工作原理
　　矩陣式變換器可以實現(xiàn)交流電諸參數(shù)(相數(shù)、相位、幅值、頻率)的變換。實現(xiàn)參數(shù)變換的過程，就是建立一個對應(yīng)于開關(guān)矩陣(如圖1 S₁₁、S₁₂、S₂₁所示)的M(t)調(diào)制矩陣，并通過實時運(yùn)算得出M(t)調(diào)制矩陣內(nèi)矩陣因子的數(shù)值，從而控制矩陣變換器上相應(yīng)功率開關(guān)管的導(dǎo)通" title="導(dǎo)通">導(dǎo)通時間。在每個斬波周期內(nèi)，通過開關(guān)管的不同通斷狀態(tài)組合，實現(xiàn)對輸出參數(shù)的控制。
　　“泵”式矩陣變換器各開關(guān)管的工作規(guī)律是由M(t)調(diào)制矩陣內(nèi)矩陣因子決定的，矩陣因子m_ij(i=1,2;j=1,2)為相應(yīng)雙向開關(guān)管的占空比。現(xiàn)以圖1中開關(guān)管S₀、S₁₁、S₂₂、S₁₂、S₂₁的工作狀態(tài)說明“泵”式矩陣變換器的工作原理。在這里，S狀態(tài)：“1”表示該開關(guān)管導(dǎo)通，“0”表示該開關(guān)管關(guān)斷。
　　對于圖1電路，輸入/輸出電壓的關(guān)系可表示為：

　　通常，一個斬波周期T包含三個時段： S₁₁和S₂₂導(dǎo)通、S₁₂和S₂₁關(guān)斷的T₁時段；S₁₁和S₂₂關(guān)斷、S₁₂和S₂₁導(dǎo)通的T₂時段；S₁₁、S₂₂、S₁₂和S₂₁都導(dǎo)通的T₃時段。且有T₁+T₂+T₃=T，m₁+m₂+m₃=1,m₁=m₁₁=m₂₂,m₂=m₁₂=m₂₁。
　　“泵”式矩陣變換器的工作過程包含以下兩步：
　　①在斬波周期T中的(T₁+T₂)時段，S₀導(dǎo)通，等值線路如圖2所示，分為兩個獨(dú)立回路：
　　回路a——，L₁電流值上升，從電網(wǎng)吸收能量；
　　回路b——C₁上的電壓V_C1(t)作為開關(guān)管矩陣的電源為負(fù)載提供能量。
　　在這段時間內(nèi)，對開關(guān)矩陣而言又分為兩個工作時段，即T₁和T₂。在T₁時段內(nèi)，S₁₁和S₂₂導(dǎo)通；在T₂時段內(nèi)，S₂₁和S₁₂導(dǎo)通。這里，根據(jù)T₁/T₂的變化，可以實現(xiàn)對波形的調(diào)制。

　　②在斬波周期T的T₃時段，S₀截止，等值電路如圖3所示，同樣也由兩個獨(dú)立回路構(gòu)成：
　　回路a——L₁釋放能量，電源和L₁串聯(lián)對C₁充電，適當(dāng)選擇T₃可使電容C₁的充電電壓V_C1(t)大于電源電壓，從而實現(xiàn)了“電壓提升”。
　　回路b——S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂同時導(dǎo)通，可以等效為一個導(dǎo)通的S_M，感性負(fù)載續(xù)流。
　　要特別注意：此時開關(guān)矩陣并未直接與電源連接，因此S₁₁、S₁₂、S₂₁和S₂₂同時導(dǎo)通不會引起輸入電源短路，感性負(fù)載通過它們提供的回路也不會出現(xiàn)過電壓。
　　在泵式矩陣變換器的工作過程中，經(jīng)過T₃→(T₁+T₂)→T₃的如此往復(fù)循環(huán)，通過L₁和C₁便將輸入電壓“泵升”到電容C₁上的電壓V_C1(t)，并作為開關(guān)矩陣的輸入電源，提高了開關(guān)矩陣的輸入電壓；與此同時，開關(guān)矩陣經(jīng)過T₃→T₁→T₂→T₃的斬波循環(huán)，也完成了“波形調(diào)制”。

1.3 “泵式”矩陣變換器總電壓傳輸比Q
　　(1) 升壓過程
　　開關(guān)管S₀、電感L₁、電容C₁組成升壓回路，其等效電路如圖4所示。當(dāng)S₀導(dǎo)通時，L₁從V_I(t)電源吸收并儲存能量；當(dāng)S₀截止，S_M導(dǎo)通時，電源V_I(t)與L₁上的電勢串聯(lián)，向C₁充電，這時可以認(rèn)為C₁是升壓回路的負(fù)載，此后C₁兩端的電壓便是開關(guān)矩陣的輸入電壓。
　　升壓過程的電壓傳輸比為^[5]：
　　(2) 降壓過程
　　電容C₁、C₂與電感L₂以及負(fù)載組成降壓回路，其等效電路如圖5所示。當(dāng)S₀閉合時，V_C1(t)成為降壓部分的輸入電壓，電容C₁向負(fù)載和儲能電感L₂放電使L₂儲能；當(dāng)開關(guān)管件S₀截止且S_M導(dǎo)通時，L₂向負(fù)載釋放能量(續(xù)流)。

?

　　降壓過程的電壓傳輸比為^[5]：g2=m₁+m₂(7)
　　(3) “泵式電路”電壓傳輸比
　　顯然，“泵”式電路的電壓傳輸比為：
　　
　　由公式(8)可知：當(dāng)m₃＜0.5時，q0＞1，VC2(t)＞V_I(t)，“泵”式電路將工作在升壓狀態(tài)。
　　　　(4) 開關(guān)矩陣斬波的電壓傳輸比q
　　開關(guān)矩陣工作于波形調(diào)制方式時，開關(guān)矩陣具有輸入/輸出電壓傳輸比q，在實時計算調(diào)制函數(shù)時，q是人為設(shè)定的。
　　(5) “泵”式矩陣變換器的電源輸入/矩陣輸出的總電壓傳輸比Q
　　“泵”式矩陣變換器的總電壓傳輸比為“泵電路”電壓傳輸比和“波形調(diào)制”電壓傳輸比之積：
　　
　　當(dāng)斬波周期T足夠小時，在相鄰的幾個斬波周期中，可以認(rèn)為m₁、m₂分別為常數(shù)。而在矩陣變換器工作中，m₃為預(yù)先設(shè)定的常數(shù)。通過適當(dāng)選擇m₃和q，可使Q＞1。
2 “泵式”矩陣變換器的仿真實驗
　　為驗證“泵式”矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與調(diào)制策略，采用Matlab/Simulink仿真軟件建立仿真模型。仿真模型包括主電路和控制電路兩部分。
　　圖6給出了在負(fù)載電阻為22Ω，負(fù)載電感為10mH，q=0.5，m₃=0.7，斬波頻率為10kHz，輸入峰值電壓為100V，頻率為50Hz，輸出頻率為75Hz、40Hz時，“泵”式矩陣變換器的輸出電壓波形。從圖中可以看出電壓傳輸比均大于1。
　　在仿真模型中設(shè)定不同電壓傳輸比，以驗證“泵”式矩陣變換器的理論和電壓傳輸比的相關(guān)公式。在表1中列出了幅值為100V的輸入電壓，經(jīng)“泵”式矩陣變換器的調(diào)制后的輸出電壓幅值與m₃、q、Q的對應(yīng)關(guān)系。

?

　　結(jié)果表明：電壓傳輸比可以雙向調(diào)節(jié)；理論計算的總傳輸比Q與實測結(jié)果吻合。
　　針對矩陣變換器的電壓傳輸比偏低的普遍性難題，本文以單相矩陣變換器為平臺，突破經(jīng)典矩陣變換器的約束條件和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了一種可以實現(xiàn)雙向調(diào)節(jié)輸出電壓的“泵”式矩陣變換器，其電壓傳輸比可大于1。
　　在詳細(xì)分析了工作過程的基礎(chǔ)上，給出了總控制電壓傳輸比Q的計算公式。通過Matlab/Simulink軟件的仿真模型，得到多組實驗數(shù)據(jù)，驗證了 “泵”式矩陣變換器的調(diào)制策略和有關(guān)電壓傳輸比的分析和計算公式，獲得了期望的結(jié)果。