AC-DC矩阵变换器作为一种新型“绿色”交流-直流电力变换装置,由于具有可控功率因数,正弦输入电流,不需要大容量大体积的储能元件等优良特性,非常适合应用在航空航天、船舶等对可靠性和功率密度要求较高的场合,从而使其近年来逐渐成为了电力电子领域的研究热点。然而,AC-DC矩阵变换器过大的共模电压将严重损害系统漏电保护设备,且双向开关管中过多的功率器件对变换器容错能力要求更高,同时无中间储能元件使得变换器对外部扰动更加敏感。本文因此选取AC-DC矩阵变换器为研究对象,针对变换器共模电压高、容错性能差、抗扰性低等因素所引起的系统安全问题,结合电流空间矢量调制,对变换器本身的拓扑结构、调制算法和控制策略三个方面进行了深入地研究和分析。首先,介绍了AC-DC矩阵变换器拓扑结构的演化过程,详细阐述了空间矢量调制模式及其相应的矢量合成原理,深入研究了共模电压产生机理。针对变换器在零矢量作用时共模电压最大,提出了一种带双向续流回路的三相七开关AC-DC矩阵变换器拓扑结构,该拓扑结构利用外置续流回路等效构造虚拟零矢量,相比于采用两对称有效矢量替换零矢量的传统共模抑制方法,改进共模抑制方法不仅有效地抑制了共模电压,减小了开关次数,降低了开关损耗,而且能够实现安全换流,输入输出波形质量良好。其次,详细分析了AC-DC矩阵变换器在某一双向开关管故障下的运行模式和矢量合成情况,并推导出故障状态下变换器波形畸变的主要原因是由于某些扇区内的合成矢量无法出现或者是出现出错,接着从矢量替换的角度分别设计了基于冗余相、冗余臂和反向电路的冗余I型、II型和III型AC-DC矩阵变换器容错控制系统,实现了变换器在单管故障下消失矢量的重新出现,使得变换器能够恢复正常运行,具有良好的故障容错能力。然后,研究了滑模控制策略在AC-DC矩阵变换器中的应用。首先基于电流空间矢量调制对变换器进行了数学建模,在此基础上详细分析了变换器的系统特性,并推导出了变换器的传统滑模控制模型。为抑制滑模抖振,提高系统的全局鲁棒性,本文采用光滑连续的双曲正切函数替换不连续的符号函数,提出了一种基于双曲正切函数的全局滑模控制策略,并对输入功率因数进行了滑模补偿。接着对比分析了所提滑模控制策略与传统滑模控制策略之间的抖振抑制情况以及动态响应速度,结果表明本文所提滑模控制策略在保证了网侧为单位功率因数的情况下,不仅具有全局鲁棒性,而且有效地降低了滑模抖振,提高了输入输出波形质量。最后,在MATLAB/Simulink平台上建立了仿真模型,并采用DSP+FPGA搭建了相应的实验样机,通过仿真和实验验证了上述方法的正确性和有效性。此外希望在上述工作基础上,本文的研究成果能够解决一些阻碍AC-DC矩阵变换器发展的因素,为以后AC-DC矩阵变换器进入实际应用提供一定的技术支持。