電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC AC變換器原理研究

1引言

電力電子研究人員對DC/DC變換器、AC/DC變換器、DC/AC逆變器高頻環(huán)節(jié)變換技術(shù)[1]的研究，已取得了顯著的成果；對AC/AC變換技術(shù)的研究僅限于交流負(fù)載與交流電網(wǎng)無電氣隔離的晶閘管相控變頻器、矩陣變換器[2]。

本文首次提出并深入研究了交流負(fù)載與交流電網(wǎng)有高頻電氣隔離的基于Forward變換器的電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器，對電力電子學(xué)的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)新型電子變壓器、正弦交流穩(wěn)壓器均具有重要意義。

2電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器電路

拓?fù)渥迮c控制原理

2．1電路結(jié)構(gòu)與拓?fù)渥?/P>

基于Forward變換器的電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器電路結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示。該電路結(jié)構(gòu)由輸入周波變換器、高頻變壓器、輸出周波變換器構(gòu)成，能夠?qū)⒁环N正弦交流電變換成另一種同頻率的正弦交流電。輸入、輸出周波變換器均由四象限功率開關(guān)(能承受雙向電壓應(yīng)力和雙向電流應(yīng)力)構(gòu)成。電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器電路拓?fù)渥骞?種，如圖1(b)～(i)所示。

圖1電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器電路結(jié)構(gòu)與拓?fù)渥?

2．2控制原理

電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器采用移相

國家自然科學(xué)基金（59977010）、江蘇省自然科學(xué)基金（BK99121）資助項(xiàng)目。

(a)電路結(jié)構(gòu)

(b)單正激式(c)并聯(lián)交錯(cuò)正激式

(d)推挽全波式(e)推挽橋式

(f)半橋全波式(g)半橋橋式

(h)全橋全波式(i)全橋橋式

控制策略，如圖2所示。四象限功率開關(guān)S1(S1′)與S2(S2′)、S3(S3′)與S4(S4′)的驅(qū)動(dòng)信號為互補(bǔ)的高頻方波信號，但S3(S3′)與S1(S1′)、S4(S4′)與S2(S2′)之間的驅(qū)動(dòng)信號均有相位差θ(0≤θ≤180°)。圖2中，Ts=1/fs為開關(guān)周期，fs為開關(guān)頻率，uAB為濾波器的前端電壓。S3(S3′)與S1(S1′)、S4(S4′)與S2(S2′)之間在一個(gè)開關(guān)周期的共同導(dǎo)通時(shí)間DTs/2可表示為

DTs/2=Ts(180°－θ)/(2×180°)(1)

式中：D為占空比。

3電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器穩(wěn)態(tài)

原理與外特性

3.1穩(wěn)態(tài)原理

以全橋全波式電路拓?fù)錇槔?，研究這類變換器的穩(wěn)態(tài)原理與外特性，如圖3(a)所示。該變換器穩(wěn)態(tài)工作且CCM模式時(shí)，在一個(gè)開關(guān)周期Ts內(nèi)可分為四個(gè)開關(guān)狀態(tài)，其等效電路如圖3(b)～(e)所示。

圖2電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器移相控制原理

圖3(b)、(d)和圖3(c)、(e)可分別用圖4(a)、(b)所示等效電路表示，其中r為包括變壓器繞組等效電

圖3全橋全波式電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器及其CCM模式時(shí)開關(guān)狀態(tài)電路

(a)全橋全波式電路拓?fù)?/P>

(b)S1(S1′)、S3導(dǎo)通，S2(S2′)、S4截止(c)S2(S2′)、S3導(dǎo)通，S1(S1′)、S4截止

(d)S2(S2′)、S4導(dǎo)通，S1(S1′)、S3截止(e)S1(S1′)、S4導(dǎo)通，S2(S2′)、S3截止

阻、功率開關(guān)通態(tài)電阻、濾波電感寄生電阻等在內(nèi)的等效電阻。

由于開關(guān)頻率fs遠(yuǎn)大于輸出LC濾波器的截止頻率和輸入、輸出正弦交流電壓的頻率，因此，在一個(gè)開關(guān)周期Ts內(nèi)輸入電壓ui和輸出電壓uo均可看成恒定量，可用狀態(tài)空間平均法建立輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系式。

圖4(a)所示等效電路的狀態(tài)方程為Lf=－riLf＋ui－uo(2.a)Cf=iLf－(2.b)

圖4(b)所示等效電路的狀態(tài)方程為Lf=－riLf－ui－uo(3.a)Cf=iLf－(3.b)式(2)乘以D加式(3)乘以(1－D)，令=0，=0，可得狀態(tài)變量在任何一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的穩(wěn)態(tài)值為ILf=(4.a)Uo=(4.b)

電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器原理研究

(a)S1(S1′)、S3或S2(S2′)、S4導(dǎo)通時(shí)

(b)S2(S2′)、S3或S1(S1′)、S4導(dǎo)通時(shí)

圖4電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC

變換器CCM模式時(shí)兩種等效電路

(b)DCM模式

(a)臨界CCM模式

圖5濾波電感電流臨界CCM和DCM

模式時(shí)一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的波形

3.2穩(wěn)態(tài)時(shí)變換器外特性

3.2.1理想情形(r=0)

由式(4.b)可知，理想情形且CCM模式時(shí)變換器的外特性為Uo=(5)

濾波電感電流臨界連續(xù)和DCM模式時(shí)一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的原理波形，如圖5所示。

由圖5(a)可知，t2－t1=DTs/2。t=t1～t2時(shí)，有uiN2/N1－uo=Lf=Lf=Lf(6)

電感電流臨界連續(xù)時(shí)的負(fù)載電流為IG=Iomin=iLf(t2)，由式(5)、(6)得IG=D(1－D)(7)

由式(7)可知，當(dāng)D=1/2時(shí)，IG達(dá)到最大值，即IGmax=(8)

由式(7)、(8)可知，理想情形且濾波電感電流臨界連續(xù)時(shí)變換器的外特性為

IG=4IGmaxD(1－D)(9)

由圖5(b)可知，t3

t=t2～t3時(shí)，由圖4(b)所示等效電路可知(r=0)uiN2/N1＋uo=－Lf=－Lf=Lf(11)

由式(10)、(11)得t3－t2=(12)

輸出負(fù)載電流為io==(13)

由式(8)、(10)、(12)、(13)得Io=IGmax(14)

因此，理想情形且DCM模式時(shí)變換器的外特性為=(15)

3.2.2實(shí)際情形

實(shí)際情形時(shí)，變換器的內(nèi)阻r不為零，因此變換器的外特性可由式(4.b)表示。

取N1/N2=1，由式(5)、(9)、(15)、(4.b)可得變換器的標(biāo)幺外特性Uo/Ui=f(Io/Iomax)，如圖6所示。曲線A為濾波電感電流臨界連續(xù)時(shí)外特性曲線，由式(9)決定；曲線A右邊為濾波電感電流連續(xù)時(shí)外特性曲線，實(shí)線為理想情形時(shí)曲線，由式(5)決定，虛線為實(shí)際情形時(shí)曲線，由式(4.b)決定，可見隨負(fù)載電流增加，輸出電壓下降；曲線A左邊為濾波電感電流斷續(xù)時(shí)外特性曲線，由式(15)決定，可見輸出電壓與輸入電壓比不僅與D有關(guān)，而且與負(fù)載電流有關(guān)。

4仿真實(shí)例

全橋全波式電路拓?fù)洌葡嗫刂撇呗?，輸入電壓Ui=220（1±10％）V，頻率50Hz，輸出電壓Uo=220V(50Hz)，額定容量S=3kVA，負(fù)載功率因數(shù)為－0.75～0.75，開關(guān)頻率fs=100kHz，變壓器匝比N1/N2=1:1.3，輸入濾波電感Li=10μH，輸入濾波電容Ci=50μF，輸出濾波電感Lf=0.5mH，輸出濾

圖6電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器標(biāo)幺外特性

(a)額定輸入電壓、電阻性額定負(fù)載

(b)額定輸入電壓、空載

(c)額定輸入電壓、阻性滿載

(d)輸入電壓200V、感性輕載

(e)輸入電壓240V、容性滿載

圖73kVA電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器仿真波形

電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器原理研究

波電容Cf=20μF。

不同輸入電壓、不同負(fù)載時(shí)，3kVA220V（1＋±10％）(50Hz)電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器的仿真波形，如圖7所示。由仿真波形可知，變壓器工作頻率為100kHz，輸出電壓波形THD低，網(wǎng)側(cè)電流波形正弦度高，具有強(qiáng)的負(fù)載適應(yīng)能力和優(yōu)良的穩(wěn)壓性能。

5結(jié)語

(1)電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器，具有兩級功率變換(LFAC/HFAC/LFAC)、雙向功率流、高頻電氣隔離、網(wǎng)側(cè)波形可得到改善、負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

(2)電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器電路拓?fù)渥灏▎握な?、并?lián)交錯(cuò)正激式、推挽全波式、推挽橋式、半橋全波式、半橋橋式、全橋全波式、全橋橋式等八種電路。

(3)獲得了變換器外特性曲線。

(4)仿真結(jié)果證實(shí)了電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/

AC變換器新概念的正確性和先進(jìn)性。

參考文獻(xiàn) [1]陳道煉.高頻環(huán)節(jié)航空靜止變流器研究[R].南京航空

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