一、综述
级联矩阵式变换器（Cascaded Matrix Converter, CMC) 是一种相对较新的大功率中压变流器拓扑结构。基于该拓扑结构的中压传动系统已经商业化应用。与VSI和CSI 不同的是，CMC无需直流环节即可实现交交变换。CMC拓扑结构中的每相桥臂由多个级联起来的矩阵式变换器（Matrix Converter, MC) 模块组成，以生成高质量的输出电压波形，但是需要为每个MC模块提供独立的三相供电电源。这种拓扑结构主要采用IGBT器件。
中压传动系统中常用到交一直一交变换器的拓扑结构，其整流器和逆变器通过直流母线连接在一起。经典的矩阵变换器（MC)作为可以替代交一直一交变换器的一种交一交换器，已经在变速电动机传动系统中得到了应用。然而，由于缺少足够高电流和电压等级的开关器件，经典矩阵变换器不能直接用于中压传动系统中。借助多电平串联H桥式（CHB)变频器的思想，模块化级联矩阵变换器（CMC)在中压传动系统中得到应用，它可以通过易于采购的低压开关器件搭建出功率等级达到6MW、电压等级达到6.6kV的传动系统。
模块化级联矩阵变换器（CMC)的每一相，都是由多个三相转一相（3×1)的矩阵变换器模块级联而成。CMC拓扑的一个主要特征是功率变换不需要经过直流环节，直接从交流输入侧转换到交流输出侧。用于中压传动系统的交一直一交电压源型变频器，其直流侧需要一个很大的电容。和低压驱动中常用的电解电容不同，这个电容必须是耐压值较高的薄膜电容，因此其造价高、体积大。同样，用于中压传动系统的电流源型变频器（CSC)，其直流侧电感同样也是造价高、体积大。由于CMC取消了直流环节，因此可以大大降低传动系统的成本和体积。
作为直接功率转换和多模块级联结构的组合，CMC还有许多其他特征，包括可以降低成本的模块化设计、具备四象限运行能力、输入和输出都接近正弦波等。然而，由于缺少直流环节，CMC的调制方法比较复杂。同时，CMC对输入电压的扰动很敏感，不具备故障穿越能力。尽管存在着一些缺点，模块化变换器CMC在中压传动系统中还是得到了很多应用。
二、经典矩阵变换器
经典矩阵变换器（MC)是一种单级功率变换器，它将电压和频率固定的三相交流电转换为电压和频率可变的三相交流电。这种变换器不需要直流环节，并且通过双向开关使任意输出相都能和任意输入相直接相连。经典矩阵变换器具有四象限运行、功率密度大、输入侧功率因数可控等特点。
图示是传统的三相输入三相输出（3×3)矩阵变换器的简化电路图，图中，包含了9个双向开关。这些开关将输出端A、B、C直接与输入端的a、b、c相连，这样所需的输出电压就可以通过输入电压合成。变换器输入侧的滤波器（L5、Cr)不仅能够抑制高频开关谐波，还可以降低MC变换器开关器件动作时的电压应力。
下图所示是矩阵变换器中所使用双向开关的两种典型结构图。在实际应用中，双向开关可以通过两个IGBT-Diode 模块反向串联或者两个能够反向阻断的IGBT(RB-IGBT)反并联得到，双向开关允许电流双向流通，阻断两种极性的电压。反向串联结构的双向开关由于是两个器件（IGBT和二极管）形成电流通路，所以其通态损耗较高；而反并联的双向开关由于使用了RB-IGBT，增加了成本。
三、三模块矩阵变换器
为了提高矩阵变换器的电压和功率等级，在中压驱动系统中常使用多模块矩阵变换器。下图所示是三模块矩阵变流传动系统的结构框图，其中电动机连接到3个3×1矩阵变换器模块单元中。每一个3×1矩阵变换器需要由独立的三相电源供电，可以通过采用二次侧为多绕组的变压器实现。为了进一步提高传动系统的电压和功率等 级，还可以在变换器的每一相级联两个以上的3×1矩阵变换器模块，后面将会详细介绍。
3x1MC模块是多模块级联矩阵变换器的基本单元，其电路结构如下图所示。MC模块由6个双开关组成，3个在上组（Sep,Sbp,Scp),3个在下组（Sag,Sbg,Scg).在模块的输入端连接着一个三相滤波电容Cr,用来抑制开关谐波，以及协助模块中开关器件的换流。
经典3×3矩阵变换器的开关约束条件也适用于3x1MC模块。在任何时刻，变换器中有且只有两个开关处于导通状态，其中一个来自上组，另一个来自下组。如果导通的开关数大于两个，滤波电容将会被短路，造成过高的电流；如果断开其中一个开关的同时没有立刻导通同一组的另一个开关，感性负载电流将会突变，使得开关承受过高的感应电压。
由于变压器的漏电感可以作为滤波电感，所以变压器二次侧和MC模块之间不需要另加电感。但变压器的一次侧需要安装三相滤波器来降低网侧电流的畸变率，以达到电网相关规范要求。在变换器的输出侧，3个模块的q端连接在一起构成中点N,各p端与电动机相连。
四、多模块级联矩阵变换器
三模块矩阵变换器相较于经典的3×3矩阵变换器有更高的电压和功率等级。为了进一步提高中压传动中变换器的电压和功率等级，可以考虑使用级联矩阵变换器（CMC)结构。其与多电平串联H桥（CHB)变换器类似，CMC结构只是将CHB拓扑中的多个H桥功率模块串联替换为3x1MC模块串联。
图示是应用在中压传动中的两种CMC拓扑结构，其中图a总共有6个模块，每相两个模块串联在一起；图b总共有3n个模块，每相由n个模块串联组成。每个模块都是一个3×1矩阵变换器。串联模块数取决于模块和电动机的电压等级。据报道，在一个6.6kV的驱动系统中，每相串联6个额定电压为635V的子模块，传动系统总共需要18个MC模块。CMC拓扑中的每个MC模块需要一个独立的三相电源供电，可以通过有多个二次绕组的变压器实现。
五、总结
多模块CMC拓扑结构具有很多优点：
1)模块化结构。变换器可以通过许多独立的3x1MC模块组成，这些模块可以批量生产，组合之后可以适用于不同电压和功率等级的中压传动系统，大大降低了生产成本。
2)没有直流环节。不像电压源、电流源型传动系统需要一个很大的直流电容或者电抗，CMC型传动系统不需要任何的直流环节，降低了成本。
3)输出电压和输入电流谐波含量小。变换器输出电压由移相串联的3x1MC模块产生，这样使得THD 很低并且dv/dt很小。由于使用了移相变压器并且每个MC模块的输入端都安装了小的滤波器，因此变换器的输入电流波形近似为正弦波。
4)不需要开关器件串联即可实现中压运行。不需要开关器件串联即可通过串联低压MC模块的方式实现较高的交流输出电压，因此不存在串联开关器件均压的问题。
5)四象限运行。无需额外设备，基于CMC拓扑的中压传动系统就可以实现四象限运行。
但是，级联型矩阵变换器也有一些缺点，包括：
1)需要移相变压器给MC模块提供独立的交流电源，提高了传动系统的生产和运行成本。
2)需要大量的开关器件，如一个九模块CMC需要108个IGBT。