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基于單相Boot型 AC/AC交流變換器的分析與實(shí)現(xiàn)

作者: 時(shí)間:2010-04-08 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

1 引言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/180940.htm

變換是把一種形式的電變換為另一種形式的電[1-2],其中可用于升壓變換的主要有工頻變壓器、交-直-交、電子變壓器[3-4]、高頻交流環(huán)節(jié)交流[5-6]、非隔離的Boost型、Buck-Boost型交流[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(yán)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(guān)器件數(shù)量眾多;高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC交流變換器雖然可電氣隔離,但拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制電路復(fù)雜,且開關(guān)器件數(shù)量眾多;Buck-Boost型AC/AC交流變換器能升降壓功能,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;在無需隔離的升壓場合,Boost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)Boost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(yàn)結(jié)果與理論一致。

2 電路結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1為Boost型AC/AC交流變換器的電路結(jié)構(gòu)[7],其中S1(S1a、S1b)和S2(S2a、S2b)為兩對交流開關(guān)管,二者高頻互補(bǔ)開通,開通時(shí)間分別為DTS、(1-D)TS,其中D為占空比,TS為開關(guān)周期。

該變換器可看成正反兩個(gè)Boost型DC/DC直流變換器的組合,當(dāng)輸入電壓大于零時(shí),正向Boost型DC/DC直流變換器由電感Lf、開關(guān)管S1a和S2a、電容Cf構(gòu)成;當(dāng)輸入電壓小于零時(shí),反向Boost型DC/DC直流變換器由電感Lf、開關(guān)管S1b和S2b、電容Cf構(gòu)成。

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。

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(gè)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, iLf0;uin 0, iLf >0,如圖2所示。

(1) uin > 0, iLf > 0

在[t0~t1] 時(shí)段內(nèi),uin>0, iLf >0。此時(shí)開關(guān)管S1b、S2b恒通,S1a、S2a高頻互補(bǔ)開通,正向Boost型DC/DC直流變換器工作,其兩種開關(guān)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(shí)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(shí),電感電流iLf經(jīng)電感Lf、交流開關(guān)管S1、輸入電源uin流通,如圖3(a)所示;當(dāng)開關(guān)管S1a斷開,S2a開通時(shí),電感電流iLf經(jīng)電感Lf、交流開關(guān)管S2、電容Cf和負(fù)載、輸入電源uin流通,如圖3(b)所示。

(2) uin > 0, iLf 0

在[t1~t2]時(shí)段內(nèi),uin >0, iLf 0,此時(shí)開關(guān)管S1b、S2b恒通,S1a、S2a高頻互補(bǔ)開通,正向Boost型DC/DC直流變換器工作,其兩種開關(guān)模態(tài)如圖4所示。

當(dāng)開關(guān)管S1a開通、S2a關(guān)斷時(shí),電感電流iLf經(jīng)電感Lf、輸入電源uin、交流開關(guān)管S1流通,如圖4(a)所示;當(dāng)開關(guān)管S1a斷開,S2a開通時(shí),電感電流iLf經(jīng)電感Lf、輸入電源uin、電容Cf和負(fù)載、交流開關(guān)管S2流通,如圖4(b)所示。

(3) uin 0, iLf 0

在[t2~t3]時(shí)段內(nèi),uin 0, iLf 0,此時(shí)開關(guān)管S1a、S2a恒通,S1b、S2b高頻互補(bǔ)開通,反向Boost型DC/DC直流變換器工作,如圖5所示。

當(dāng)開關(guān)管S1b導(dǎo)通,S2b斷開時(shí),電感電流iLf經(jīng)電感Lf、輸入電源uin、交流開關(guān)管S1流通,如圖5(a)所示;當(dāng)開關(guān)管S1b斷開,S2b開通時(shí),電感電流iLf經(jīng)電感Lf、輸入電源uin、電容Cf和負(fù)載、交流開關(guān)管S2流通,如圖5(b)所示。

(4) uin 0, iLf > 0

在[t3~t4]時(shí)段內(nèi),uin0, iLf >0,此時(shí)開關(guān)管S1a、S2a恒通,S1b、S2b高頻互補(bǔ)開通,反向Boost型DC/DC直流變換器工作,如圖6所示。

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