單周控制的單相交流斬波調(diào)壓電路

在正弦負(fù)半波時(shí) T2、T4工作，T1、T3被D1，D3旁路不工作，當(dāng)T2開(kāi)通時(shí)交流負(fù)電壓加于負(fù)載，T2關(guān)斷時(shí)，T4導(dǎo)通起著續(xù)流作用輸至負(fù)載的電壓為零。這里T2，T4的控制信號(hào)是互補(bǔ)的。

并聯(lián)式電路工作，當(dāng)電壓為交流正弦正半波時(shí)，T1、T3工作，T2，T4斷開(kāi)，其工作原理和串聯(lián)式電路類似。圖2為單相AC/AC變換的并聯(lián)式電路中的開(kāi)關(guān)管T1，T2，T3，T4 驅(qū)動(dòng)信號(hào)。假定交流電壓的周期為T，顯然前T/2為正弦正半波，T1，T3互補(bǔ)開(kāi)通，后T/2為正弦負(fù)半波，T2，T4互補(bǔ)開(kāi)通，圖2中畫(huà)的開(kāi)關(guān)頻率是4/T。

圖2 單相AC/AC變換并聯(lián)式電路T1-T4開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)

實(shí)際采用的開(kāi)關(guān)頻率較高，但過(guò)高，如未用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，將導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗加大，開(kāi)關(guān)頻率太低，使輸出濾波器尺寸變大，輸出電壓正弦度差。一般來(lái)講開(kāi)關(guān)頻率宜大于電源頻率的20倍較好。

3 單周控制原理

產(chǎn)生上述驅(qū)動(dòng)信號(hào)的方法有多種，本文采用單周控制[3，4，5]。在上世紀(jì)90年代初，由華人學(xué)者Keyue Smedley提出的基于Buck電路的單周控制(One-cycle control)方法，它是一種新型非線性大信號(hào)的脈寬調(diào)制(PWM)控制，該方法控制電路簡(jiǎn)單，用的元件少而成本低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，也能保證靜態(tài)要求，特別在負(fù)荷變化時(shí)有一定的穩(wěn)壓作用。

單周控制可分為4類：⑴恒頻PWM；⑵恒導(dǎo)通時(shí)間；⑶恒截止時(shí)間；⑷變化開(kāi)關(guān)周期。實(shí)際使用中是以恒頻，即恒開(kāi)關(guān)周期的控制用得較多，其它三類控制產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)周期的諧波比較難以消除。因此本文也采用恒開(kāi)關(guān)周期的單周控制。

圖3 恒頻PWM開(kāi)關(guān)單周控制(OCC)原理圖

恒頻PWM開(kāi)關(guān)單周控制原理如圖3所示。假定開(kāi)關(guān)SW的開(kāi)關(guān)頻率為fs=1/Ts，開(kāi)關(guān)函數(shù)k(t)是
(1)

式中Ton為每開(kāi)關(guān)周期的導(dǎo)通時(shí)間，Ts為開(kāi)關(guān)周期，占空比d是開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間和開(kāi)關(guān)周期的比：d=Ton/Ts，它由圖3上的參考信號(hào)Vref調(diào)制。由此可看出開(kāi)關(guān)SW的輸入量x(t)和輸出量y(t)的關(guān)系為
y(t)=k(t)x(t) (2)

開(kāi)關(guān)SW一旦由時(shí)鐘脈沖clock通過(guò)RS觸發(fā)器Q端接通，積分器也開(kāi)始工作，當(dāng)積分值Vint大於比較器另一輸入Vref，RS觸發(fā)器復(fù)位，其Q端輸出變?yōu)椤?”，開(kāi)關(guān)SW關(guān)斷，積分器復(fù)位，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期結(jié)束，直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖來(lái)到。

假設(shè)開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)x(t)頻率，可認(rèn)為在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)x(t)為常數(shù)，則y(t)的平均值為:
(3)

單周控制的本質(zhì)是通過(guò)控制占空比d(t)，使得x(t)在每周期的導(dǎo)通時(shí)間Ton內(nèi)的積分等于參考量ref(t)在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的積分Uref，亦即

從而使每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，開(kāi)關(guān)輸出量的平均值y(t)等于參考量ref(t)的平均值。

4 仿真結(jié)構(gòu)

圖4為單周控制的單相AC/AC轉(zhuǎn)換的并聯(lián)式電路的Simulink仿真[6，7，8]總結(jié)構(gòu)圖。圖4左上部為單相交流正弦電源U1，中部為電壓正值時(shí)工作的開(kāi)關(guān)管(IGBT)T1，T3，負(fù)值時(shí)工作的T2，T4，及濾波用電感L、電容C，右邊為負(fù)荷電阻R1，R2及開(kāi)關(guān)SW，定時(shí)器Timer，用以定時(shí)切除負(fù)載電阻R2。

圖4 單周控制的單相AC/AC轉(zhuǎn)換并聯(lián)式Buck電路仿真總結(jié)構(gòu)圖