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基于單相Boot型 AC/AC交流變換器的分析與實現(xiàn)
維庫開發(fā)網(wǎng)
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,,并結合輸出電壓誤差放大信號與三角載波的比較結果,可確定各開關管的工作狀態(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,,仿真和試驗結果驗證了理論分析的正確性及控制策略的可行性。
Abstract:
Key words :

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,,但拓撲結構及控制電路復雜,且開關器件數(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交流變換器具有結構簡單,、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,,仿真及試驗結果與理論分析一致。

2 電路結構與工作原理

圖1為單相Boost型AC/AC交流變換器的電路結構[7],,其中S1(S1a,、S1b)和S2(S2a、S2b)為兩對交流開關管,,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、開關管S1a和S2a,、電容Cf構成,;當輸入電壓小于零時,反向Boost型DC/DC直流變換器由電感Lf,、開關管S1b和S2b,、電容Cf構成。

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,;恒通的開關管省去,用直線代替,。)

當開關管S1a開通,、S2a關斷時,電感電流iLf經(jīng)電感Lf,、交流開關管S1,、輸入電源uin流通,如圖3(a)所示,;當開關管S1a斷開,S2a開通時,,電感電流iLf經(jīng)電感Lf,、交流開關管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,,其兩種開關模態(tài)如圖4所示,。

當開關管S1a開通、S2a關斷時,,電感電流iLf經(jīng)電感Lf,、輸入電源uin,、交流開關管S1流通,如圖4(a)所示,;當開關管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、交流開關管S2流通,,如圖4(b)所示,。

(3) uin < 0, iLf < 0

在[t2~t3]時段內(nèi),uin <0, iLf <0,,此時開關管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,、交流開關管S1流通,如圖5(a)所示,;當開關管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,。

當開關管S1b導通,,S2b斷開時,,電感電流iLf經(jīng)電感Lf、交流開關管S1,、輸入電源uin流通,,如圖6(a)所示;當開關管S1b斷開,,S2b開通時,,電感電流iLf經(jīng)電感Lf、交流開關管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,開關管的工作模態(tài)只與輸入電壓的極性有關,。當uin > 0時,,開關管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,,開關管采用理想器件,;輸入電壓頻率為50 Hz;開關頻率為50 kHz,;電感Lf =500 μH,,電容Cf =10 μF。

開關管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,。

4.2實驗波形

制作了一臺實驗原理樣機,開關管采用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,??梢姡敵鲭妷簎o和輸入電壓uin相位一致,;交流開關管兩端電壓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,,并結合輸出電壓誤差放大信號與三角載波的比較結果,可確定各開關管的工作狀態(tài),。該變換器具有結構簡單,、控制容易等優(yōu)點。仿真和試驗結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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