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。
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