Buck型AC/AC交流變換器的設(shè)計

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　　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]，其中可用于降壓變換的主要有工頻變壓器、相控交流調(diào)壓電路[2-3]、交-直-交變換器、電子變壓器[4-5]、高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC交流變換器[6-7]、矩陣變換器[8]和非隔離的Buck型、Buck-Boost型AC/AC交流變換器[9]。

　　工頻變壓器體積重量大，無穩(wěn)壓及調(diào)壓功能;相控交流調(diào)壓電路輸入、輸出含有嚴(yán)重的諧波分量，一般只適用于熱或機(jī)械慣性較大的負(fù)載功率調(diào)整[3];交-直-交變換器變換級數(shù)過多，其變換效率不高，且對電網(wǎng)諧波污染嚴(yán)重;電子變壓器體積重量小，其開關(guān)器件數(shù)量眾多，且同樣沒有穩(wěn)壓及調(diào)壓功能;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?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制電路復(fù)雜，而且開關(guān)器件數(shù)量眾多;矩陣變換器同樣存在開關(guān)器件多、控制策略復(fù)雜的問題，并且其最大增益僅為0.866;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(yīng)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;在無需電氣隔離的降壓場合，Buck型AC/AC交流變換器具有結(jié)構(gòu)簡單、容易控制等特點(diǎn)。本文詳細(xì)分析了Buck型AC/AC交流變換器的工作原理及其控制策略，對其進(jìn)行了仿真研究，并研制了一臺原理樣機(jī)，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Buck型AC/AC交流變換器的電路結(jié)構(gòu)，其中S1(S1a、S1b)和S2(S2a、S2b)為兩對交流開關(guān)管，兩者互補(bǔ)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。假設(shè)輸入電壓uin為理想正弦波，則：

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　　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。占空比D為常數(shù)，故輸出電壓uo也是正弦變化，其相位和輸入電壓uin一致，但幅值不大于Um。

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　　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)，存在四種不同階段：uin >0, iLf >0;uin >0, iLf <0;uin <0, iLf<0;uin <0, iLf >0。

　　(1) uin > 0, iLf > 0

　　開關(guān)管S1b、S2b恒通，S1a、S2a高頻互補(bǔ)開通，該階段電路兩種開關(guān)模態(tài)如圖2所示。(圖中實線表示電流流經(jīng)的路線，虛線表示電流未經(jīng)過的路線，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(dāng)開關(guān)管S1a開通、S2a關(guān)斷時，輸入電壓通過開關(guān)管S1a、電感Lf給電容Cf和負(fù)載供電，如圖2(a)所示;當(dāng)開關(guān)管S1a斷開、S2a開通時，電感電流iLf經(jīng)Lf、Cf和負(fù)載、開關(guān)管S2a的反向二極管續(xù)流，Lf和Cf共同向負(fù)載供電，如圖2(b)所示。

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