Buck型AC-AC交流变换器的设计与实现

Buck型AC/AC交流变换器的设计与实现i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］，其中可用于降压变换的主要有工频变压器、相控交流调压电路 ［2-3］、交-直-交变换器、电子变压器［4-5］、高频交流环节AC/AC交流变换器［6-7］、矩阵变换器［8］和非隔离的Buck型、Buck-Boost型AC/AC交流变换器［9］。工频变压器体积重量大，无稳压及调压功能；相控交流调压电路输入、输出含有严重的谐波分量，一般只适用于热或机械惯性较大的负载功率调整 ［3］;交-直-交变换器变换级数过多，其变换效率不高，且对电网谐波污染严重；电子变压器体积重量小，其开关器件数量众多，且同样没有稳压及调压功能；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， 而且开关器件数量众多； 矩阵变换器同样存在开关器件多、 控制策略复杂的问题，并且其最大增益仅为0.866；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；在无需电气隔离的降压场合， Buck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 Buck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Buck型AC/AC交流变换器的电路结构，其中S1（S1a、S1b）和S2（S2a、S2b）为两对交流开关管，两者互补开通，开通时间分别为DTS、（1-D）TS，其中D为占空比，TS为开关周期。假设输入电压uin为理想正弦波，则：u-DUsinEf ⑵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。占空比D为常数，故输出电压uo也是正弦变化，其相位和输入电压 uin—致，但幅值不大于Um。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， 存在四种不同阶段：uin>0,iLf>0;uin>0,iLf<0uin<0,iLf<0;uin<0,iLf>0 。(1)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 2所示。(图中实线表示电流流经的路线， 虚线表示电流未经过的路线， 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，输入电压通过开关管S1a、电感Lf给电容Cf和负载供电,如图2(a)所示；当开关管S1a断开、S2a开通时，电感电流iLf经Lf、Cf和负载、开关管S2aS2a的反向二极管续流,图2uin>0,iLf>0 时的开关模态:⑻S1a开通、S2a关断；(b)S1a关断、S2a开通(2)uin>0,iLf<03所示。开关管S1b、S2b恒通，S1aS2a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3H：n>6 0时的开关模态：⑹弘开鳳已其斷；(E)気关断名开通图3uin>0,iLf<0 时的开关模态:⑻S1a开通、S2a关断；(b)S1a关断、S2a开通⑶uin<0,iLf<04所示。开关管S1a、S2a恒通，S1b、S2b4所示。图4ui*0,iLf<0时的开关模态：⑻S1b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，S1bS2b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5uin<0,iLf>0 时的开关模态:⑻S1b开通、S2b关断;(b)S1b关断，S2b开通3控制策略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 48.4W的电阻（输出功率为250W），开关采用理想器件；输入电压频率f=50Hz;开关频率为50kHz;电感Lf=500叮，电容Cf=4.4门。开关管S1aS1b、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，S1aS2a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7Buck型AC/AC交流变换器的仿真波形:控制信号K1a、K1b、K2a、K2b;电压uin、uo及uS24.2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=500^H;电容Cf=4.4门。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。t（.沁诵｝A）图8Buck型AC/AC交流变换器的实验波形:⑻输入电压uin和输出电压uo;(b)输入电压uin和S2的两端电压uS25结论本文详细分析了Buck型AC/AC交流