單周控制的單相交流斬波調(diào)壓電路

    1 引言

    傳統(tǒng)上，交流電壓變換是通過變壓器的電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)變壓器輸入電壓發(fā)生變化，其輸出電壓也要相應(yīng)變化，有些電氣設(shè)備還需要利用交流穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，在某些場合，負(fù)載電壓還要求能調(diào)節(jié)，這時(shí)宜用如自耦變壓器之類的可調(diào)變壓器。這些是大眾常用的方法。但是隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，地球資源的逐漸枯竭，為了實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，傳統(tǒng)的采用大量銅、鐵等貴金屬的變壓器將逐漸退出歷史舞臺(tái)，而由電力電子元件組成可調(diào)壓AC/AC變換器來代替，本文正是從這方面來進(jìn)行探討。

    過去曾經(jīng)用雙向晶閘管的相控方法，來做恒頻下的降壓調(diào)節(jié)，由于晶閘管是半控元件，這樣的調(diào)節(jié)會(huì)造成很大的電壓畸變，產(chǎn)生諧波、消耗無功功率和功率因數(shù)變差，所以僅在一些功率較小的裝置上采用。

    隨著功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，功率半導(dǎo)體器件廣泛應(yīng)用于AC/AC變換器，主要有AC/DC/AC變換器、矩陣變換器、高頻鏈AC/AC變換器和基于DC/DC拓?fù)涞闹苯覣C/AC變換器。AC/DC/AC變換器適用于同時(shí)需要變頻、變壓的場合，變換級(jí)數(shù)及所用元件多，而且其整流濾波環(huán)節(jié)對(duì)電網(wǎng)污染嚴(yán)重；矩陣變換器可實(shí)現(xiàn)高輸入功率因數(shù)，但由于其開關(guān)數(shù)量多導(dǎo)致成本增高，同時(shí)它的控制策略也很復(fù)雜；高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器也存在著成本高，控制復(fù)雜等問題。

    為實(shí)現(xiàn)AC/AC電壓變換，近年來人們己廣泛利用全控型電力電子開關(guān)進(jìn)行斬波（PWM）控制來實(shí)現(xiàn)[1，2]。

    本文將對(duì)單相交流電壓，通過單周控制實(shí)現(xiàn)AC/AC直接變換的斬控式調(diào)壓進(jìn)行研究，并且力圖用的開關(guān)數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡單。

    本文主要研究了在Buck電路上的AC/AC變換，它有調(diào)壓功能，但調(diào)壓范圍是低于輸入電壓。由于采用單周控制，它的動(dòng)態(tài)性能好、在負(fù)荷變化時(shí)有一定的穩(wěn)壓能力。所以說它兼有變壓、調(diào)壓、穩(wěn)壓的功能，應(yīng)該指出該電路的濾波部分仍需用到電感器和電器，亦即仍需消耗部分金屬資源，但由于斬波頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工頻，體積、重量都不大。文中列出了串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的AC/AC變換電路，主要針對(duì)后一種電路作了Matlab/Simulink仿真，證明這類電路是可行的，值得進(jìn)一步研究，以完善附加保護(hù)、限制功能，使之達(dá)到實(shí)用階段。

    本文采用數(shù)字控制方法使變換器在一定的正弦輸入電壓范圍內(nèi)都能輸出穩(wěn)定的正弦電壓，其結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，控制簡便，有著廣闊的發(fā)展前景。

    2  拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與基本工作原理

    單相AC/AC轉(zhuǎn)換電路的拓?fù)淇捎卸喾N[1，2]，圖1為該變換器典型主電路的拓?fù)鋱D。(a)為串聯(lián)式，即在交流電壓正、負(fù)半波下，負(fù)荷電流到交流電源走同一支路。(b)為并聯(lián)式，即交流電壓正、負(fù)半波下，負(fù)荷電流到交流電源走不同支路。

    串聯(lián)式電路工作，當(dāng)電壓為交流正弦正半波，IGBT T1、T3工作，T2，T4被D2、D4旁路不工作。在正半波斬波期間，當(dāng)T1開通時(shí)交流電壓輸出至負(fù)載，當(dāng)T1關(guān)斷時(shí)，T3導(dǎo)通起著續(xù)流作用，輸至負(fù)載的電壓為零。D1-D4 為二極管，L與C 組成 濾波電路，R 是負(fù)載。T1，T3的控制信號(hào)是互補(bǔ)的，負(fù)載上電壓大小是靠每個(gè)開關(guān)周期T1導(dǎo)通的占空比來控制的。

 
圖1 單相AC/AC變換主電路：(a)串聯(lián)式，(b)并聯(lián)式[!--empirenews.page--]

    在正弦負(fù)半波時(shí) T2、T4工作，T1、T3被D1，D3旁路不工作，當(dāng)T2開通時(shí)交流負(fù)電壓加于負(fù)載，T2關(guān)斷時(shí)，T4導(dǎo)通起著續(xù)流作用輸至負(fù)載的電壓為零。這里T2，T4的控制信號(hào)是互補(bǔ)的。

    并聯(lián)式電路工作，當(dāng)電壓為交流正弦正半波時(shí)，T1、T3工作，T2，T4斷開，其工作原理和串聯(lián)式電路類似。圖2為單相AC/AC變換的并聯(lián)式電路中的開關(guān)管T1，T2，T3，T4 驅(qū)動(dòng)信號(hào)。假定交流電壓的周期為T，顯然前T/2為正弦正半波，T1，T3互補(bǔ)開通，后T/2為正弦負(fù)半波，T2，T4互補(bǔ)開通，圖2中畫的開關(guān)頻率是4/T。

 
圖2 單相AC/AC變換并聯(lián)式電路T1-T4開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)

    實(shí)際采用的開關(guān)頻率較高，但過高，如未用軟開關(guān)技術(shù)，將導(dǎo)致開關(guān)損耗加大，開關(guān)頻率太低，使輸出濾波器尺寸變大，輸出電壓正弦度差。一般來講開關(guān)頻率宜大于電源頻率的20倍較好。

    3 單周控制原理

    產(chǎn)生上述驅(qū)動(dòng)信號(hào)的方法有多種，本文采用單周控制[3，4，5]。在上世紀(jì)90年代初，由華人學(xué)者Keyue Smedley提出的基于Buck電路的單周控制(One-cycle control)方法，它是一種新型非線性大信號(hào)的脈寬調(diào)制(PWM)控制，該方法控制電路簡單，用的元件少而成本低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，也能保證靜態(tài)要求，特別在負(fù)荷變化時(shí)有一定的穩(wěn)壓作用。

    單周控制可分為4類：⑴恒頻PWM；⑵恒導(dǎo)通時(shí)間；⑶恒截止時(shí)間；⑷變化開關(guān)周期。實(shí)際使用中是以恒頻，即恒開關(guān)周期的控制用得較多，其它三類控制產(chǎn)生的開關(guān)周期的諧波比較難以消除。因此本文也采用恒開關(guān)周期的單周控制。

 
圖3 恒頻PWM開關(guān)單周控制(OCC)原理圖

    恒頻PWM開關(guān)單周控制原理如圖3所示。假定開關(guān)SW的開關(guān)頻率為fs=1/Ts，開關(guān)函數(shù)k(t)是
         (1)

    式中Ton為每開關(guān)周期的導(dǎo)通時(shí)間，Ts為開關(guān)周期，占空比d是開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間和開關(guān)周期的比：d=Ton/Ts，它由圖3上的參考信號(hào)Vref調(diào)制。由此可看出開關(guān)SW的輸入量x(t)和輸出量y(t)的關(guān)系為
    y(t)=k(t)x(t)           (2)

    開關(guān)SW一旦由時(shí)鐘脈沖clock通過RS觸發(fā)器Q端接通，積分器也開始工作，當(dāng)積分值Vint大於比較器另一輸入Vref，RS觸發(fā)器復(fù)位，其Q端輸出變?yōu)椤?”，開關(guān)SW關(guān)斷，積分器復(fù)位，一個(gè)開關(guān)周期結(jié)束，直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖來到。

    假設(shè)開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)x(t)頻率，可認(rèn)為在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)x(t)為常數(shù)，則y(t)的平均值為:
      (3)

    單周控制的本質(zhì)是通過控制占空比d(t)，使得x(t)在每周期的導(dǎo)通時(shí)間Ton內(nèi)的積分等于參考量ref(t)在一個(gè)開關(guān)周期的積分Uref，亦即
 
    從而使每個(gè)開關(guān)周期中，開關(guān)輸出量的平均值y(t)等于參考量ref(t)的平均值。

    4 仿真結(jié)構(gòu)

    圖4為單周控制的單相AC/AC轉(zhuǎn)換的并聯(lián)式電路的Simulink仿真[6，7，8]總結(jié)構(gòu)圖。圖4左上部為單相交流正弦電源U1，中部為電壓正值時(shí)工作的開關(guān)管(IGBT)T1，T3，負(fù)值時(shí)工作的T2，T4，及濾波用電感L、電容C，右邊為負(fù)荷電阻R1，R2及開關(guān)SW，定時(shí)器Timer，用以定時(shí)切除負(fù)載電阻R2。

 
圖4 單周控制的單相AC/AC轉(zhuǎn)換并聯(lián)式Buck電路仿真總結(jié)構(gòu)圖[!--empirenews.page--]

    子模塊DRIVEN用于產(chǎn)生控制T1至T4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，如圖5所示，子模塊OCC用于實(shí)現(xiàn)單周控制，如圖6所示。

 
圖5  T1至T4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)子模塊DRIVEN

 
圖6 單周控制子模塊OCC

    OCC由積分器1/S、比較器Compa，RS觸發(fā)器，時(shí)鐘脈沖clk等組成。積分器輸入U(xiǎn)0取自4個(gè)開關(guān)管公共聯(lián)接點(diǎn)，它在Q脈沖到來，T1或T2開通時(shí)開始積分，其中開關(guān)Switch2 是用于控制電壓正、負(fù)半波的，負(fù)半波信號(hào)Nh為“1”時(shí)，積分器輸出經(jīng)反號(hào)器仍為正值，當(dāng)積分值大於給定參考值Vref，(這里用的是單相全波整流值)比較器Compa有輸出，復(fù)位RS觸發(fā)器時(shí)，（T1或T2關(guān)斷）由!Q信號(hào)控制開關(guān)Switch將積分值清零，直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來。

    5  仿真實(shí)例

    單相交流正弦電源220V，50Hz，濾波用電感L=2mH，電容C=90μF，負(fù)荷電阻R1=5Ω， R2=10Ω，開關(guān)頻率fs=1200Hz。

    T1，..T4的IGBT元件參數(shù)：Ron=0.001Ω，Lon=1μH，通態(tài)壓降 =1V。吸收電路參數(shù)：Rs=100kΩ， Cs=∞。仿真首先從穩(wěn)態(tài)開始，U1幅值等于，50Hz負(fù)載電阻為R1+R2=5+10=15（Ω）保持恒定，單周控制頻率fs=1200Hz，再給出不同的參考值Ref [反比于開關(guān)頻率，其范圍為從(1→7)×10-4]，可以得到不同的負(fù)載電壓U2，其波形如圖8(a)所示，基本正弦，但存在一些與開關(guān)頻率的諧波，后者還取決于所用的濾波電路參數(shù)。圖7表示了在不同參考值Ref下的負(fù)載電壓的幅值U2m，可以看出兩者基本上是線性關(guān)系，在附錄A中給出了不同占空比d斬波下，AC/AC轉(zhuǎn)換器輸出電壓的計(jì)算方法。

 
圖7 負(fù)載的電壓幅值U2m和參考值Ref的關(guān)系

    應(yīng)該指出，用本方法變壓時(shí)，應(yīng)盡量避免用在占空比d=0和d=1的兩端，以免因控制不精確而出現(xiàn)非正常的、混亂的情況。圖8是假定U1=220V，50Hz， 參考值Ref=0.0003，在t=0"時(shí)，接入負(fù)荷(負(fù)荷電阻15Ω)，當(dāng)t=0.03"時(shí)負(fù)荷突增(負(fù)荷電阻從15Ω突減至Ω5)下、單周控制的單相AC/AC轉(zhuǎn)換并聯(lián)式電路中各電氣量變化的仿真結(jié)果。圖8（a）為電源電壓U1，電流I1和負(fù)荷電壓U2的波形。可看出U1的幅值為311V，這里負(fù)荷電壓U2的幅值約調(diào)整至180V，由于濾波參數(shù)不理想，負(fù)載電壓存在一些與開關(guān)頻率有關(guān)的諧波。電源電流I1基本正弦。在t=0.03"時(shí)負(fù)荷突增，U2有明顯的下降。圖8（b）是負(fù)荷電壓U2和電流I2的波形，基本正弦，在t=0.03”時(shí)負(fù)荷電流突增導(dǎo)致U2下降。圖8(c)、圖8(d)分別是開關(guān)管T1、T3的集電極—發(fā)射極間電壓Uce，和流過開關(guān)管的電流iT。

    可看出在正弦電壓正半波時(shí)，開關(guān)管T1和T3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用下導(dǎo)通，均有電流iT流過，兩者在開關(guān)周期Ts內(nèi)是互補(bǔ)的，而加在T1管上的Uce電壓是正向脈沖型，因T1導(dǎo)通時(shí)只存在可忽略的導(dǎo)通電壓降。注意這時(shí)加于T3的Uce電壓是脈沖型的，但對(duì)T3講，卻是反向的。為清楚起見，圖8(c)的右下角放大了Uce和iT的關(guān)系，表明iT有值瞬刻Uce為零值。

    在正弦電壓負(fù)半波時(shí)T2、T4導(dǎo)通，這時(shí)T1、T2無驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ube=0，不導(dǎo)通，但加在它們上的Uce仍存在，只是方向相反。

    開關(guān)管T2，T4上的Uce， iT波形類似，不再重復(fù)。

    圖8(e)上部為電源電壓U1，和濾波電感L上的電壓UL，可看出這里UL小于U1，在允許范圍內(nèi)。圖8(e)下部為用于采樣的T1，T3聯(lián)結(jié)點(diǎn)的電壓U0。圖8(f)是單周控制單元OCC的積分器輸出電壓Uint的波形，以及用于控制輸出電壓波形的由參考值Ref和全波整流波形產(chǎn)生的，比較器另一個(gè)輸入，即給定參考電壓Uref的波形。

    6  結(jié)論

    ⑴利用全控型開關(guān)元件IGBT實(shí)現(xiàn)單相電壓AC/AC轉(zhuǎn)換器變壓(這里是降壓)是可能的，并聯(lián)型電路的主電路只需要二只帶雙IGBT的模塊，及濾波用電感和電容，控制電路也較簡單。

    負(fù)荷電壓基本正弦，但帶有與開關(guān)頻率fs(顯然fs愈高諧波愈小)有關(guān)的諧波，這里對(duì)正確選擇濾波器參數(shù)要求很高。負(fù)荷電壓大小與參考信號(hào)基本上是線性關(guān)系，范圍應(yīng)在（10-90）%內(nèi)，以避免斬波控制中占空比d太靠近1或0引起的混亂。

    ⑵并聯(lián)型和串聯(lián)型AC/AC轉(zhuǎn)換所得結(jié)果基本相同，串聯(lián)型的T1至T4開關(guān)管必需帶反向二極管，T1至T4在不工作的半波，集電極、發(fā)射極間無反向電壓。并聯(lián)型的T1至T4無須反向二極管，但在不工作的半波，集電極、發(fā)射極間承受反向電壓。[!--empirenews.page--]

    ⑶由于本電路中采樣電壓為U0，并且沒有負(fù)載電壓U2的的反饋控制，因而負(fù)荷變化時(shí)沒有穩(wěn)壓功能，有待進(jìn)一步完善。

 
圖8 單周控制的單相AC/AC轉(zhuǎn)換并聯(lián)式Buck電路仿真結(jié)果，t=0.03"負(fù)荷突增

    附錄A

    單相交流正弦電壓在斬波控制下，AC/AC轉(zhuǎn)換時(shí)輸出負(fù)荷電壓幅值計(jì)算。

    通常為保證輸出電壓波形對(duì)稱，開關(guān)周期應(yīng)采用偶數(shù)，如圖A所示，其開關(guān)頻率為2nf，其中f為交流電源電壓的頻率，開關(guān)周期Ts=1/2nf， 每個(gè)周期內(nèi)的占空比為d (0<d<1)時(shí)，則每周期有dTs時(shí)段有電壓輸出，極限情況下當(dāng)d=1，則輸出電壓U2即電源電壓u1，當(dāng)d=0，則輸出電壓U2=0。

    一般情況下輸出電壓在0至u1之間，并且除了電源電壓的基波外，還有高次諧波。為求它們可以利用富里葉級(jí)數(shù)展開的方法。例如對(duì)圖A上第j個(gè)和第–j個(gè)的斬波求解，由于正負(fù)側(cè)對(duì)原點(diǎn)對(duì)稱，并且也對(duì)時(shí)間軸(橫軸)對(duì)稱，則直流分量A0=0，無余弦(Cos)項(xiàng)，及偶次項(xiàng)。

    當(dāng)己知n時(shí)就可得Ts=π/n，而第j個(gè)斬波的幅值平均值應(yīng)為

 
圖A 單相正弦交流電斬波控制示意圖

    由第j個(gè)和第-j個(gè)的斬波產(chǎn)生的各k (k=1，3，5，7….)次諧波的幅值為 Akjm：

    （A1）
    將所有(1，2，…j…n)次斬波產(chǎn)生的各k (k=1，3，5，7….)次諧波的幅值加起來，就得到總的各次諧波Akm為：
  
     (A2)

    要計(jì)算基波時(shí)令k=1，即可得輸出基波幅值，再令k=3，5，… 同樣計(jì)算可得各奇次諧波幅值。顯然這樣計(jì)算比較繁瑣，但可以得到比較準(zhǔn)確的值。