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[導讀]摘要:詳細分析了單相Boost型AC/AC交流變換器的工作原理及其控制策略。通過對輸入電壓的極性判斷,并結(jié)合輸出電壓誤差放大信號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)。對單相Boost型AC/AC交流變換器進行了

摘要:詳細分析了單相Boost型AC/AC交流變換器的工作原理及其控制策略。通過對輸入電壓的極性判斷,并結(jié)合輸出電壓誤差放大信號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)。對單相Boost型AC/AC交流變換器進行了仿真研究,并研制了一臺原理樣機,仿真和試驗結(jié)果驗證了理論分析的正確性及控制策略的可行性。

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],其中可用于升壓變換的主要有工頻變壓器、交-直-交變換器、電子變壓器[3-4]、高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC交流變換器[5-6]、非隔離的Boost型、Buck-Boost型AC/AC交流變換器[7-11]。

工頻變壓器體積重量大,且無穩(wěn)壓及調(diào)壓功能;交-直-交變換器變換級數(shù)過多,變換效率不高,對電網(wǎng)諧波污染嚴重,且在升壓場合還需一臺升壓變壓器;電子變壓器體積重量小,無穩(wěn)壓及調(diào)壓功能,且開關(guān)器件數(shù)量眾多;高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC交流變換器雖然可實現(xiàn)電氣隔離,但拓撲結(jié)構(gòu)及控制電路復雜,且開關(guān)器件數(shù)量眾多;Buck-Boost型AC/AC交流變換器能實現(xiàn)升降壓功能,但其開關(guān)管電壓應力高,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;在無需隔離的升壓場合,Boost型AC/AC交流變換器具有結(jié)構(gòu)簡單、容易控制等特點。本文詳細分析了單相Boost型AC/AC交流變換器的工作原理及其控制策略,對其進行了仿真研究,并研制了一臺原理樣機,仿真及試驗結(jié)果與理論分析一致。

2 電路結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1為單相Boost型AC/AC交流變換器的電路結(jié)構(gòu)[7],其中S1(S1a、S1b)和S2(S2a、S2b)為兩對交流開關(guān)管,二者高頻互補開通,開通時間分別為DTS、(1-D)TS,其中D為占空比,TS為開關(guān)周期。

該變換器可看成正反兩個Boost型DC/DC直流變換器的組合,當輸入電壓大于零時,正向Boost型DC/DC直流變換器由電感Lf、開關(guān)管S1a和S2a、電容Cf構(gòu)成;當輸入電壓小于零時,反向Boost型DC/DC直流變換器由電感Lf、開關(guān)管S1b和S2b、電容Cf構(gòu)成。[!--empirenews.page--]

假設輸入電壓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。

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,在一個輸入電壓周期內(nèi),存在四種不同工作階段:uin >0, iLf >0;uin >0, iLf <0;uin <0, iLf<0;uin <0, iLf >0,如圖2所示。

(1) uin > 0, iLf > 0

在[t0~t1] 時段內(nèi),uin>0, iLf >0。此時開關(guān)管S1b、S2b恒通,S1a、S2a高頻互補開通,正向Boost型DC/DC直流變換器工作,其兩種開關(guān)模態(tài)如圖3所示。(圖中回路框表示電感電流iLf流經(jīng)的路線,箭頭表示電壓、電流的實際方向;恒通的開關(guān)管省去,用直線代替。)

當開關(guān)管S1a開通、S2a關(guān)斷時,電感電流iLf經(jīng)電感Lf、交流開關(guān)管S1、輸入電源uin流通,如圖3(a)所示;當開關(guān)管S1a斷開,S2a開通時,電感電流iLf經(jīng)電感Lf、交流開關(guān)管S2、電容Cf和負載、輸入電源uin流通,如圖3(b)所示。

(2) uin > 0, iLf < 0

在[t1~t2]時段內(nèi),uin >0, iLf <0,此時開關(guān)管S1b、S2b恒通,S1a、S2a高頻互補開通,正向Boost型DC/DC直流變換器工作,其兩種開關(guān)模態(tài)如圖4所示。

當開關(guān)管S1a開通、S2a關(guān)斷時,電感電流iLf經(jīng)電感Lf、輸入電源uin、交流開關(guān)管S1流通,如圖4(a)所示;當開關(guān)管S1a斷開,S2a開通時,電感電流iLf經(jīng)電感Lf、輸入電源uin、電容Cf和負載、交流開關(guān)管S2流通,如圖4(b)所示。[!--empirenews.page--]

(3) uin < 0, iLf < 0

在[t2~t3]時段內(nèi),uin <0, iLf <0,此時開關(guān)管S1a、S2a恒通,S1b、S2b高頻互補開通,反向Boost型DC/DC直流變換器工作,如圖5所示。

當開關(guān)管S1b導通,S2b斷開時,電感電流iLf經(jīng)電感Lf、輸入電源uin、交流開關(guān)管S1流通,如圖5(a)所示;當開關(guān)管S1b斷開,S2b開通時,電感電流iLf經(jīng)電感Lf、輸入電源uin、電容Cf和負載、交流開關(guān)管S2流通,如圖5(b)所示。

(4) uin< 0, iLf > 0

在[t3~t4]時段內(nèi),uin<0, iLf >0,此時開關(guān)管S1a、S2a恒通,S1b、S2b高頻互補開通,反向Boost型DC/DC直流變換器工作,如圖6所示。

當開關(guān)管S1b導通,S2b斷開時,電感電流iLf經(jīng)電感Lf、交流開關(guān)管S1、輸入電源uin流通,如圖6(a)所示;當開關(guān)管S1b斷開,S2b開通時,電感電流iLf經(jīng)電感Lf、交流開關(guān)管S2、電容Cf和負載、輸入電源uin流通,如圖6(b)所示。

3 控制策略

通過對單相Boost型AC/AC交流變換器的工作原理的分析可知,無論電感電流方向如何,開關(guān)管的工作模態(tài)只與輸入電壓的極性有關(guān)。當uin > 0時,開關(guān)管S1b、S2b恒通,S1a、S2a高頻互補開通, 正向Boost型DC/DC直流變換器工作;當uin < 0時,開關(guān)管S1a、S2a恒通,S1b、S2b高頻互補開通,反向Boost型DC/DC直流變換器工作。由此可得單相Boost型AC/AC交流變換器的控制框圖,如圖7所示。

輸入電壓經(jīng)采樣后,由過零比較器得到輸入電壓uin的極性信號SP1,SP1反相得到信號SN1; 輸出電壓uo的反饋采樣信號uo_f與基準輸出電壓uo_ref比較,經(jīng)PI調(diào)節(jié)后得到電壓誤差信號ue,ue與三角波進行比較,得到高頻PWM控制信號SP2,SP2反相后得到控制信號SN2; SP1、SN1分別與SP2、SN2進行邏輯或調(diào)制,得到開關(guān)管S1a、S1b、S2a、S2b的控制信號K1a、K1b、K2a、K2b。

4 仿真與實驗

為了驗證Boost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,對該變換器進行了仿真與實驗研究。

4.1仿真波形

仿真參數(shù)如下:輸入電壓的有效值Uin=110 V,基準輸出電壓的有效值Uo_ref =220 V,開關(guān)管采用理想器件;輸入電壓頻率為50 Hz;開關(guān)頻率為50 kHz;電感Lf =500 μH,電容Cf =10 μF。

開關(guān)管S1a、S1b、S2a、S2b的控制信號K1a、K1b、K2a、K2b的仿真波形如圖8(a)所示;圖8(b)中是交流開關(guān)管S1兩端電壓uS1、輸入電壓uin和輸出電壓uo的仿真波形,其中uo和uin相位相同,交流開關(guān)管S1兩端的電壓uS1是以輸出電壓uo為包絡線的高頻脈沖序列。[!--empirenews.page--]

4.2實驗波形

制作了一臺實驗原理樣機,開關(guān)管采用MOSFET IRFP460PL,實驗參數(shù)為:輸入電壓的有效值Uin=110 V,基準輸出電壓的有效值Uo_ref =220 V;輸入電壓頻率為50 Hz;開關(guān)頻率為23 kHz;電感Lf =900 ?H,電容Cf =4.4 ?F。實驗波形如圖9所示。

圖9(a)為開關(guān)管控制信號K1a、K1b、K2a、K2b的實驗波形;圖9(b)為輸出電壓uo和交流開關(guān)管S1兩端電壓uS1的實驗波形;圖9(c)為輸入電壓uin和輸出電壓uo的實驗波形??梢?,輸出電壓uo和輸入電壓uin相位一致;交流開關(guān)管兩端電壓uS1是高頻電壓脈沖序列,其包絡線為輸出電壓uo。

5 結(jié)論

單相Boost型AC/AC交流變換器可看成正反兩個Boost型DC/DC直流變換器的組合,通過對輸入電壓的極性判斷,并結(jié)合輸出電壓誤差放大信號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)。該變換器具有結(jié)構(gòu)簡單、控制容易等優(yōu)點。仿真和試驗結(jié)果驗證了理論分析的正確性及控制策略的可行性。

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