本发明公开了一种双级矩阵变换器的故障诊断方法，其特点是，包括：通过建立双级矩阵变换器的混杂系统观测器，计算系统的线线电流状态残差，然后检测其变化情况判断双级矩阵变换器是否发生开路故障，结合线线电流状态残差的故障特征和双级矩阵变换器逆变级功率开关的对应关系定位逆变级的故障开关；结合双级矩阵变换器故障时直流母线电压有效值变化趋势，双向功率开关和整流区间的对应关系定位整流级的故障开关。该方法具有简单易行、成本低、诊断速度快、诊断精度高以及鲁棒性强的优点。