Buck型 AC/AC交流變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言

AC/AC交流變換是把一種形式的交流電變換為另一種形式的交流電[1-2]，其中可用于降壓變換的主要有工頻變壓器、相控交流調(diào)壓電路[2-3]、交-直-交變換器、電子變壓器[4-5]、高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC交流變換器[6-7]、矩陣變換器[8]和非隔離的Buck型、Buck-Boost型AC/AC交流變換器[9]。

工頻變壓器體積重量大，無穩(wěn)壓及調(diào)壓功能；相控交流調(diào)壓電路輸入、輸出含有嚴(yán)重的諧波分量，一般只適用于熱或機(jī)械慣性較大的負(fù)載功率調(diào)整[3]；交-直-交變換器變換級(jí)數(shù)過多，其變換效率不高，且對(duì)電網(wǎng)諧波污染嚴(yán)重；電子變壓器體積重量小，其開關(guān)器件數(shù)量眾多，且同樣沒有穩(wěn)壓及調(diào)壓功能；高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC交流變換器雖然可實(shí)現(xiàn)電氣隔離，但拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制電路復(fù)雜，而且開關(guān)器件數(shù)量眾多；矩陣變換器同樣存在開關(guān)器件多、控制策略復(fù)雜的問題，并且其最大增益僅為0.866；Buck-Boost型AC/AC交流變換器能實(shí)現(xiàn)升降壓功能，但其開關(guān)管電壓應(yīng)力高，輸入輸出之間無直接能量傳遞通路，從而變換效率不高，且輸入輸出相位相反；在無需電氣隔離的降壓場合，Buck型AC/AC交流變換器具有結(jié)構(gòu)簡單、容易控制等特點(diǎn)。本文詳細(xì)分析了Buck型AC/AC交流變換器的工作原理及其控制策略，對(duì)其進(jìn)行了仿真研究，并研制了一臺(tái)原理樣機(jī)，仿真及試驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。

2 電路結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1為Buck型AC/AC交流變換器的電路結(jié)構(gòu)，其中S1（S1a、S1b）和S2（S2a、S2b）為兩對(duì)交流開關(guān)管，兩者互補(bǔ)開通，開通時(shí)間分別為DTS、(1-D)TS，其中D為占空比，TS為開關(guān)周期。假設(shè)輸入電壓uin為理想正弦波，則：

其中Um為輸入電壓幅值；w=2pf，為輸入電壓角頻率；f為輸入電壓頻率。占空比D為常數(shù)，故輸出電壓uo也是正弦變化，其相位和輸入電壓uin一致，但幅值不大于Um。

輸入電壓uin和電感電流iLf的參考方向見圖1所示。根據(jù)輸入電壓uin和電感電流iLf的極性不同，在一個(gè)輸入電壓周期內(nèi)，存在四種不同階段：uin >0, iLf >0；uin >0, iLf <0；uin <0, iLf<0；uin <0, iLf >0。

(1) uin > 0, iLf > 0

開關(guān)管S1b、S2b恒通，S1a、S2a高頻互補(bǔ)開通，該階段電路兩種開關(guān)模態(tài)如圖2所示。(圖中實(shí)線表示電流流經(jīng)的路線，虛線表示電流未經(jīng)過的路線，箭頭表示電壓、電流的實(shí)際方向；恒通的開關(guān)管省去，用直線代替。

當(dāng)開關(guān)管S1a開通、S2a關(guān)斷時(shí)，輸入電壓通過開關(guān)管S1a、電感Lf給電容Cf和負(fù)載供電，如圖2(a)所示；當(dāng)開關(guān)管S1a斷開、S2a開通時(shí)，電感電流iLf經(jīng)Lf、Cf和負(fù)載、開關(guān)管S2a的反向二極管續(xù)流，Lf和Cf共同向負(fù)載供電，如圖2(b)所示。

圖2 uin > 0, iLf > 0時(shí)的開關(guān)模態(tài)：

(a) S1a開通、S2a關(guān)斷；

(b) S1a關(guān)斷、S2a開通

(2) uin > 0, iLf < 0

開關(guān)管S1b、S2b恒通，S1a、S2a高頻互補(bǔ)開通，該階段電路兩種開關(guān)模態(tài)如圖3所示。

當(dāng)開關(guān)管S1a開通、S2a關(guān)斷時(shí)，輸入電壓通過開關(guān)管S1a的反向二極管、電感Lf給電容Cf和負(fù)載供電，如圖3(a)所示；當(dāng)開關(guān)管S1a斷開，S2a開通時(shí)，電感電流iLf經(jīng)Lf、開關(guān)管S2a、Cf和負(fù)載續(xù)流，Lf和Cf共同向負(fù)載供電，如圖3(b)所示。

圖3 uin > 0, iLf< 0時(shí)的開關(guān)模態(tài)：

(a) S1a開通、S2a關(guān)斷；

(b) S1a關(guān)斷、S2a開通

(3) uin <0, iLf < 0

開關(guān)管S1a、S2a恒通，S1b、S2b高頻互補(bǔ)開通，該階段電路兩種開關(guān)模態(tài)如圖4所示。

圖4 uin< 0, iLf < 0時(shí)的開關(guān)模態(tài)：

(a) S1b開通、S2b關(guān)斷；

(b) S1b關(guān)斷，S2b開通

當(dāng)開關(guān)管S1b開通、S2b關(guān)斷時(shí)，輸入電壓通過開關(guān)管S1b、電感Lf給電容Cf和負(fù)載供電，如圖4(a)所示；當(dāng)開關(guān)管S1b斷開，S2b開通時(shí)，電感電流iLf經(jīng)Lf、開關(guān)管S2b的反向二極管、Cf和負(fù)載續(xù)流，Lf和Cf共同向負(fù)載供電，如圖4(b)所示。

(4) uin <0, iLf> 0

開關(guān)管S1a、S2a恒通，S1b、S2b高頻互補(bǔ)開通，該階段電路兩種開關(guān)模態(tài)如圖5所示。

當(dāng)開關(guān)管S1b開通、S2b關(guān)斷時(shí)，輸入電壓通過開關(guān)管S1b的反向二極管、電感Lf給電容Cf和負(fù)載供電，如圖5(a)所示；當(dāng)開關(guān)管S1b斷開，S2b開通時(shí)，電感電流iLf經(jīng)Lf、Cf和負(fù)載、開關(guān)管S2b續(xù)流，Lf和Cf共同向負(fù)載供電，如圖5(b)所示。

圖5 uin< 0, iLf > 0時(shí)的開關(guān)模態(tài)：

(a) S1b開通、S2b關(guān)斷；

(b) S1b關(guān)斷，S2b開通

3 控制策略

Buck型AC/AC交流變換器的控制框圖如圖6所示。

輸出電壓經(jīng)反饋采樣后，與基準(zhǔn)輸出電壓信號(hào)uo_ref進(jìn)行比較，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后得到輸出電壓誤差放大信號(hào)ue，再與三角波進(jìn)行比較，得到高頻PWM控制信號(hào)SP2，SP2反相后得到控制信號(hào)SN2；輸入電壓經(jīng)采樣后，經(jīng)過零比較器產(chǎn)生低頻的輸入電壓極性信號(hào)SP1，SP1反相后得到信號(hào)SN1；SP2、SN2分別與SP1、SN1 進(jìn)行邏輯或調(diào)制，產(chǎn)生開關(guān)管S1a、S1b、S2a、S2b的控制信號(hào)K1a、K1b、K2a、K2b。

4仿真與實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證Buck型AC/AC交流變換器理論分析的正確性和控制策略的可行性，對(duì)該變換器進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)研究。

4.1仿真波形

仿真參數(shù)如下：輸入電壓幅值額定輸出電壓幅值為負(fù)載為48.4 W的電阻(輸出功率為250 W)，開關(guān)采用理想器件；輸入電壓頻率f=50 Hz；開關(guān)頻率為50kHz；電感Lf =500μH，電容Cf =4.4μF。
開關(guān)管S1a、S1b、S2a、S2b的控制信號(hào)K1a、K1b、K2a、K2b的仿真波形如圖7(a)所示。當(dāng)輸入電壓大于零時(shí)，開關(guān)管S1b、S2b恒通，S1a、S2a高頻互補(bǔ)開通；當(dāng)輸入電壓小于零時(shí)，開關(guān)管S1a、S2a恒通，S1b、S2b高頻互補(bǔ)開通。圖7(b)為輸入電壓uin、輸出電壓uo和交流開關(guān)管S2的兩端（即S2a、S2b兩管D（漏極）-D（漏極）之間的）電壓波形uS2。

圖7 Buck型AC/AC交流變換器的仿真波形：

(a) 控制信號(hào)K1a、K1b、K2a、K2b ；

(b) 電壓uin、uo及uS2

4.2實(shí)驗(yàn)波形

根據(jù)上述分析，本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)原理樣機(jī)。樣機(jī)參數(shù)設(shè)置如下：輸入電壓有效值Uin =220V, 額定輸出電壓有效值Uo =110V。開關(guān)管采用IRFP460A；輸入電壓頻率為50Hz；開關(guān)頻率為45kHz；電感Lf=500μH；電容Cf=4.4μF。其實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示。其中圖8(a)為輸入電壓uin和輸出電壓uo的實(shí)驗(yàn)波形，uo和uin的相位相同；圖8(b)為輸入電壓uin和交流開關(guān)管S2的兩端電壓波形uS2，uS2是以u(píng)in為包絡(luò)線的高頻脈沖序列。

圖8 Buck型AC/AC交流變換器的實(shí)驗(yàn)波形：

(a) 輸入電壓uin和輸出電壓uo ；

(b) 輸入電壓uin和S2的兩端電壓uS2

5 結(jié)論

本文詳細(xì)分析了Buck型AC/AC交流變換器的工作原理及其控制策略。該變換器兩對(duì)交流開關(guān)管高頻互補(bǔ)開通，當(dāng)占空比為常數(shù)時(shí)，其輸出電壓和輸入電壓的相位相同，但幅值不大于輸入電壓的幅值。通過對(duì)輸入電壓的極性判斷，并結(jié)合輸出電壓誤差放大信號(hào)與三角載波的比較結(jié)果，可確定各開關(guān)管的工作狀態(tài)。仿真和試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性及控制策略的可行性。