Buck型 AC/AC交流变换器的设计与实现

1 引言
   
AC/AC交流变换是把一种形式的交流电变换为另一种形式的交流电[1-2]，其中可用于降压变换的主要有工频变压器、相控交流调压电路[2-3]、交-直-交变换器、电子变压器[4-5]、高频交流环节AC/AC交流变换器[6-7]、矩阵变换器[8]和非隔离的Buck型、Buck-Boost型AC/AC交流变换器[9]。
   
工频变压器体积重量大，无稳压及调压功能；相控交流调压电路输入、输出含有严重的谐波分量，一般只适用于热或机械惯性较大的负载功率调整[3]；交-直-交变换器变换级数过多，其变换效率不高，且对电网谐波污染严重；电子变压器体积重量小，其开关器件数量众多，且同样没有稳压及调压功能；高频交流环节AC/AC交流变换器虽然可实现电气隔离，但拓扑结构及控制电路复杂，而且开关器件数量众多；矩阵变换器同样存在开关器件多、控制策略复杂的问题，并且其最大增益仅为0.866；Buck-Boost型AC/AC交流变换器能实现升降压功能，但其开关管电压应力高，输入输出之间无直接能量传递通路，从而变换效率不高，且输入输出相位相反；在无需电气隔离的降压场合，Buck型AC/AC交流变换器具有结构简单、容易控制等特点。本文详细分析了Buck型AC/AC交流变换器的工作原理及其控制策略，对其进行了仿真研究，并研制了一台原理样机，仿真及试验结果与理论分析一致。
   
2 电路结构与工作原理
  

图1为Buck型AC/AC交流变换器的电路结构，其中S1（S1a、S1b）和S2（S2a、S2b）为两对交流开关管，两者互补开通，开通时间分别为DTS、(1-D)TS，其中D为占空比，TS为开关周期。假设输入电压uin为理想正弦波，则：

其中Um为输入电压幅值；w=2pf，为输入电压角频率；f为输入电压频率。占空比D为常数，故输出电压uo也是正弦变化，其相位和输入电压uin一致，但幅值不大于Um。

 输入电压uin和电感电流iLf的参考方向见图1所示。根据输入电压uin和电感电流iLf的极性不同，在一个输入电压周期内，存在四种不同阶段：uin >0, iLf >0；uin >0, iLf <0；uin <0, iLf<0；uin <0, iLf >0。
   
(1) uin > 0, iLf > 0
   
开关管S1b、S2b恒通，S1a、S2a高频互补开通，该阶段电路两种开关模态如图2所示。(图中实线表示电流流经的路线，虚线表示电流未经过的路线，箭头表示电压、电流的实际方向；恒通的开关管省去，用直线代替。
   
当开关管S1a开通、S2a关断时，输入电压通过开关管S1a、电感Lf给电容Cf和负载供电，如图2(a)所示；当开关管S1a断开、S2a开通时，电感电流iLf经Lf、Cf和负载、开关管S2a的反向二极管续流，Lf和Cf共同向负载供电，如图2(b)所示。

图2 uin > 0, iLf > 0时的开关模态：
   
(a) S1a开通、S2a关断；
   
(b) S1a关断、S2a开通
   
(2)  uin > 0, iLf < 0
   
开关管S1b、S2b恒通，S1a、S2a高频互补开通，该阶段电路两种开关模态如图3所示。
   
当开关管S1a开通、S2a关断时，输入电压通过开关管S1a的反向二极管、电感Lf给电容Cf和负载供电，如图3(a)所示；当开关管S1a断开，S2a开通时，电感电流iLf经Lf、开关管S2a、Cf和负载续流，Lf和Cf共同向负载供电，如图3(b)所示。

图3 uin > 0, iLf< 0时的开关模态：
   
(a) S1a开通、S2a关断；
   
(b) S1a关断、S2a开通
   
(3) uin <0, iLf < 0
  
 开关管S1a、S2a恒通，S1b、S2b高频互补开通，该阶段电路两种开关模态如图4所示。

图4 uin< 0, iLf < 0时的开关模态：
   
(a) S1b开通、S2b关断；
   
(b) S1b关断，S2b开通
   
当开关管S1b开通、S2b关断时，输入电压通过开关管S1b、电感Lf给电容Cf和负载供电，如图4(a)所示；当开关管S1b断开，S2b开通时，电感电流iLf经Lf、开关管S2b的反向二极管、Cf和负载续流，Lf和Cf共同向负载供电，如图4(b)所示。
   
(4) uin <0, iLf> 0
   
开关管S1a、S2a恒通，S1b、S2b高频互补开通，该阶段电路两种开关模态如图5所示。
   
当开关管S1b开通、S2b关断时，输入电压通过开关管S1b的反向二极管、电感Lf给电容Cf和负载供电，如图5(a)所示；当开关管S1b断开，S2b开通时，电感电流iLf经Lf、Cf和负载、开关管S2b续流，Lf和Cf共同向负载供电，如图5(b)所示。

图5 uin< 0, iLf > 0时的开关模态：
   
(a) S1b开通、S2b关断；
   
(b) S1b关断，S2b开通
   
3 控制策略
   
Buck型AC/AC交流变换器的控制框图如图6所示。

    
   
输出电压经反馈采样后，与基准输出电压信号uo_ref进行比较，经PI调节后得到输出电压误差放大信号ue，再与三角波进行比较，得到高频PWM控制信号SP2，SP2反相后得到控制信号SN2；输入电压经采样后，经过零比较器产生低频的输入电压极性信号SP1，SP1反相后得到信号SN1；SP2、SN2分别与SP1、SN1 进行逻辑或调制，产生开关管S1a、S1b、S2a、S2b的控制信号K1a、K1b、K2a、K2b。
    
 4仿真与实验
   
为了验证Buck型AC/AC交流变换器理论分析的正确性和控制策略的可行性，对该变换器进行了仿真与实验研究。
  
 4.1仿真波形
   
仿真参数如下：输入电压幅值额定输出电压幅值为负载为48.4 W的电阻(输出功率为250 W)，开关采用理想器件；输入电压频率f=50 Hz；开关频率为50kHz；电感Lf =500μH，电容Cf =4.4μF。

开关管S1a、S1b、S2a、S2b的控制信号K1a、K1b、K2a、K2b的仿真波形如图7(a)所示。当输入电压大于零时，开关管S1b、S2b恒通，S1a、S2a高频互补开通；当输入电压小于零时，开关管S1a、S2a恒通，S1b、S2b高频互补开通。图7(b)为输入电压uin、输出电压uo和交流开关管S2的两端（即S2a、S2b两管D（漏极）-D（漏极）之间的）电压波形uS2。

图7 Buck型AC/AC交流变换器的仿真波形：
   
(a) 控制信号K1a、K1b、K2a、K2b ；
   
(b) 电压uin、uo及uS2
   
4.2实验波形
   
根据上述分析，本文设计了一台原理样机。样机参数设置如下：输入电压有效值Uin =220V, 额定输出电压有效值Uo =110V。开关管采用IRFP460A；输入电压频率为50Hz；开关频率为45kHz；电感Lf=500μH；电容Cf=4.4μF。其实验波形如图8所示。其中图8(a)为输入电压uin和输出电压uo的实验波形，uo和uin的相位相同；图8(b)为输入电压uin和交流开关管S2的两端电压波形uS2，uS2是以uin为包络线的高频脉冲序列。

图8 Buck型AC/AC交流变换器的实验波形：
   
(a) 输入电压uin和输出电压uo ；
   
(b) 输入电压uin和S2的两端电压uS2
  
5 结论
   
本文详细分析了Buck型AC/AC交流变换器的工作原理及其控制策略。该变换器两对交流开关管高频互补开通，当占空比为常数时，其输出电压和输入电压的相位相同，但幅值不大于输入电压的幅值。通过对输入电压的极性判断，并结合输出电压误差放大信号与三角载波的比较结果，可确定各开关管的工作状态。仿真和试验结果验证了理论分析的正确性及控制策略的可行性。