基于单相Boot型 AC/AC交流变换器的分析与实现

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]，其中可用于升压变换的主要有工频变压器、交-直-交变换器、电子变压器[3-4]、高频交流环节AC/AC交流变换器[5-6]、非隔离的Boost型、Buck-Boost型AC/AC交流变换器[7-11]。

工频变压器体积重量大，且无稳压及调压功能；交-直-交变换器变换级数过多，变换效率不高，对电网谐波污染严重，且在升压场合还需一台升压变压器；电子变压器体积重量小，无稳压及调压功能，且开关器件数量众多；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，且开关器件数量众多；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；在无需隔离的升压场合，Boost型AC/AC交流变换器具有结构简单、容易控制等特点。本文详细分析了单相Boost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为单相Boost型AC/AC交流变换器的电路结构[7]，其中S1（S1a、S1b）和S2（S2a、S2b）为两对交流开关管，二者高频互补开通，开通时间分别为DTS、(1-D)TS，其中D为占空比，TS为开关周期。

该变换器可看成正反两个Boost型DC/DC直流变换器的组合，当输入电压大于零时，正向Boost型DC/DC直流变换器由电感Lf、开关管S1a和S2a、电容Cf构成；当输入电压小于零时，反向Boost型DC/DC直流变换器由电感Lf、开关管S1b和S2b、电容Cf构成。

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。

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，存在四种不同工作阶段：uin >0, iLf >0；uin >0, iLf <0；uin <0, iLf<0；uin <0, iLf >0，如图2所示。

(1) uin > 0, iLf > 0

在[t0～t1] 时段内，uin>0, iLf >0。此时开关管S1b、S2b恒通，S1a、S2a高频互补开通，正向Boost型DC/DC直流变换器工作，其两种开关模态如图3所示。(图中回路框表示电感电流iLf流经的路线，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，电感电流iLf经电感Lf、交流开关管S1、输入电源uin流通，如图3(a)所示；当开关管S1a断开，S2a开通时，电感电流iLf经电感Lf、交流开关管S2、电容Cf和负载、输入电源uin流通，如图3(b)所示。

(2) uin > 0, iLf < 0

在[t1～t2]时段内，uin >0, iLf <0，此时开关管S1b、S2b恒通，S1a、S2a高频互补开通，正向Boost型DC/DC直流变换器工作，其两种开关模态如图4所示。

当开关管S1a开通、S2a关断时，电感电流iLf经电感Lf、输入电源uin、交流开关管S1流通，如图4(a)所示；当开关管S1a断开，S2a开通时，电感电流iLf经电感Lf、输入电源uin、电容Cf和负载、交流开关管S2流通，如图4(b)所示。

(3) uin < 0, iLf < 0

在[t2～t3]时段内，uin <0, iLf <0，此时开关管S1a、S2a恒通，S1b、S2b高频互补开通，反向Boost型DC/DC直流变换器工作，如图5所示。

当开关管S1b导通，S2b断开时，电感电流iLf经电感Lf、输入电源uin、交流开关管S1流通，如图5(a)所示；当开关管S1b断开，S2b开通时，电感电流iLf经电感Lf、输入电源uin、电容Cf和负载、交流开关管S2流通，如图5(b)所示。

(4) uin< 0, iLf > 0

在[t3～t4]时段内，uin<0, iLf >0，此时开关管S1a、S2a恒通，S1b、S2b高频互补开通，反向Boost型DC/DC直流变换器工作，如图6所示。

当开关管S1b导通，S2b断开时，电感电流iLf经电感Lf、交流开关管S1、输入电源uin流通，如图6(a)所示；当开关管S1b断开，S2b开通时，电感电流iLf经电感Lf、交流开关管S2、电容Cf和负载、输入电源uin流通，如图6(b)所示。

3 控制策略

通过对单相Boost型AC/AC交流变换器的工作原理的分析可知，无论电感电流方向如何，开关管的工作模态只与输入电压的极性有关。当uin > 0时，开关管S1b、S2b恒通，S1a、S2a高频互补开通, 正向Boost型DC/DC直流变换器工作；当uin < 0时，开关管S1a、S2a恒通，S1b、S2b高频互补开通，反向Boost型DC/DC直流变换器工作。由此可得单相Boost型AC/AC交流变换器的控制框图，如图7所示。

输入电压经采样后，由过零比较器得到输入电压uin的极性信号SP1，SP1反相得到信号SN1; 输出电压uo的反馈采样信号uo_f与基准输出电压uo_ref比较，经PI调节后得到电压误差信号ue，ue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; SP1、SN1分别与SP2、SN2进行逻辑或调制，得到开关管S1a、S1b、S2a、S2b的控制信号K1a、K1b、K2a、K2b。

4 仿真与实验

为了验证Boost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：输入电压的有效值Uin=110 V，基准输出电压的有效值Uo_ref =220 V，开关管采用理想器件；输入电压频率为50 Hz；开关频率为50 kHz；电感Lf =500 μH，电容Cf =10 μF。

开关管S1a、S1b、S2a、S2b的控制信号K1a、K1b、K2a、K2b的仿真波形如图8(a)所示；图8(b)中是交流开关管S1两端电压uS1、输入电压uin和输出电压uo的仿真波形，其中uo和uin相位相同，交流开关管S1两端的电压uS1是以输出电压uo为包络线的高频脉冲序列。

4.2实验波形

制作了一台实验原理样机，开关管采用MOSFET IRFP460PL，实验参数为：输入电压的有效值Uin=110 V，基准输出电压的有效值Uo_ref =220 V；输入电压频率为50 Hz；开关频率为23 kHz；电感Lf =900 ?H，电容Cf =4.4 ?F。实验波形如图9所示。

图9(a)为开关管控制信号K1a、K1b、K2a、K2b的实验波形；图9(b)为输出电压uo和交流开关管S1两端电压uS1的实验波形；图9(c)为输入电压uin和输出电压uo的实验波形。可见，输出电压uo和输入电压uin相位一致；交流开关管两端电压uS1是高频电压脉冲序列，其包络线为输出电压uo。

5 结论

单相Boost型AC/AC交流变换器可看成正反两个Boost型DC/DC直流变换器的组合，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。该变换器具有结构简单、控制容易等优点。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。