Buck型AC/AC交流变换器的设计

　　(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

　　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。