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双级矩阵变换器(TSMC)因除具有矩阵变换器(MC)输入功率因数可控为1、输入输出正弦、输出频率调节范围宽和四象限运行等优良变频性能外,还具有简单的调制策略、换流策略和嵌位电路,而成为一种很有发展潜力的AC-AC直接功率变换器。本文围绕三相-三相TSMC的拓扑,以及三相-三相18开关TSMC的调制策略、共模电压抑制、仿真验证和3kw样机设计展开研究。双向开关是MC和TSMC发展的前提,对TSMC整流级使用不同结构的双向开关进行了对比分析,通过对MC和TSMC的传输矩阵推导得出二者具有等效性,证明TSMC和MC有着相同的变频性能。给出了不同约束条件下,TSMC在其基本拓扑、18开关、15开关、12开关和9开关拓扑之间的简化过程,并给出了其它逆变级结构的TSMC拓扑及其研究目的。分析了18开关TSMC的双空间矢量调制(DSVM)原理,包括整流级无零矢量DSVM和有零矢量DSVM,阐述了TSMC整流级和逆变级的双级协调调制和双级换流策略目的,是达到输出电压恒定和安全换流,双级换流采用整流级零电流换流和逆变级死区换流,给出了基于Matlab/Simulink的仿真模型和仿真波形。针对TSMC存在共模电压的问题,结合TSMC共模电压的分布规律,提出了改进的DSVM,在保证整流级零电流换流的基础上,达到了抑制共模电压的目的,给出了基于Matlab/Simulink的仿真验证。在理论分析的基础上,研制了基于整流级无零矢量DSVM的3kw18开关TSMC样机。详细介绍了主电路开关器件、缓冲电路、输入滤波器和嵌位电路的参数设计,以及基于DSP和CPLD组合的控制系统设计,其中DSP主要实现DSVM算法,CPLD主要完成信息译码、双级换流以及PWM驱动信号输出,给出了基于Quartus II的仿真波形。分析了软件设计过程中小占空比的产生原因、影响及其解决方法。在样机上得到了18开关TSMC的器件级和系统级实验波形,以及采用改进DSVM前后的共模电压波形。通过仿真和实验,验证了18开关TSMC具有优良的变频性能,采用改进的DSVM达到了抑制共模电压的效果。