Buck型 AC/AC交流變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(wú)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(jí)數(shù)過(guò)多，其變換效率不高，且對(duì)電網(wǎng)諧波污染嚴(yán)重；電子變壓器體積重量小，其開(kāi)關(guān)器件數(shù)量眾多，且同樣沒(méi)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(shí)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(kāi)關(guān)器件數(shù)量眾多；矩陣變換器同樣存在開(kāi)關(guān)器件多、控制策略復(fù)雜的問(wèn)題，并且其最大增益僅為0.866；Buck-Boost型AC/AC交流變換器能實(shí)現(xiàn)升降壓功能，但其開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力高，輸入輸出之間無(wú)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(wú)需電氣隔離的降壓場(chǎng)合，Buck型AC/AC交流變換器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)其進(jìn)行了仿真研究，并研制了一臺(tái)原理樣機(jī)，仿真及試驗(yàn)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(duì)交流開(kāi)關(guān)管，兩者互補(bǔ)開(kāi)通，開(kāi)通時(shí)間分別為DTS、(1-D)TS，其中D為占空比，TS為開(kāi)關(guān)周期。假設(shè)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。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。

輸入電壓uin和電感電流iLf的參考方向見(jiàn)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(gè)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, iLf0；uin 0, iLf >0。

(1) uin > 0, iLf > 0

開(kāi)關(guān)管S1b、S2b恒通，S1a、S2a高頻互補(bǔ)開(kāi)通，該階段電路兩種開(kāi)關(guān)模態(tài)如圖2所示。(圖中實(shí)線表示電流流經(jīng)的路線，虛線表示電流未經(jīng)過(guò)的路線，箭頭表示電壓、電流的實(shí)際方向；恒通的開(kāi)關(guān)管省去，用直線代替。

當(dāng)開(kāi)關(guān)管S1a開(kāi)通、S2a關(guān)斷時(shí)，輸入電壓通過(guò)開(kāi)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(kāi)關(guān)管S1a斷開(kāi)、S2a開(kāi)通時(shí)，電感電流iLf經(jīng)Lf、Cf和負(fù)載、開(kāi)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。