单相Boost型AC-AC沟通改换器作业原理及操控

  概述：详细剖析了单相Boost型AC/AC沟通改换器的作业原理及其操控战略。经过对输入电压的极性判别，并结合输出电压差错扩大信号与三角载波的比较成果，可确认各开关管的作业状况。对单相Boost型AC/AC沟通改换器进行了仿真研讨，并研发了一台原理样机，仿真和试验成果验证了理论剖析的正确性及操控战略的可行性。

  AC/AC沟通改换是把一种方式的沟通电改换为另一种方式的沟通电[1-2]，其间可用于升压改换的主要有低频变压器、交-直-交改换器、电子变压器[3-4]、高频沟通环节AC/AC沟通改换器[5-6]、非阻隔的Boost型、Buck-Boost型AC/AC沟通改换器[7-11]。

  工频变压器体积分量大，且无稳压及调压功用；交-直-交改换器改换级数过多，改换功率不高，对电网谐波污染严峻，且在升压场合还需一台升压变压器；电子变压器体积分量小，无稳压及调压功用，且开关器材数量很多；高频沟通环节AC/AC沟通改换器尽管可完成电气阻隔，但拓扑结构及操控电路杂乱，且开关器材数量很多；Buck-Boost型AC/AC沟通改换器能完成升降压功用，但其开关管电压应力高，输入输出之间无直接能量传递通路，然后改换功率不高，且输入输出相位相反；在无需阻隔的升压场合，Boost型AC/AC沟通改换器具有结构相对比较简单、简单操控等特色。本文详细剖析了单相Boost型AC/AC沟通改换器的作业原理及其操控战略，对其进行了仿真研讨，并研发了一台原理样机，仿真及试验成果与理论剖析共同。

  图1为单相Boost型AC/AC沟通改换器的电路结构[7]，其间S1（S1a、S1b）和S2（S2a、S2b）为两对沟通开关管，二者高频互补注册，注册时刻别离为DTS、(1-D)TS，其间D为占空比，TS为开关周期。

  该改换器可当作正反两个Boost型DC/DC直流改换器的组合，当输入电压大于零时，正向Boost型DC/DC直流改换器由电感Lf、开关管S1a和S2a、电容Cf构成；当输入电压小于零时，反向Boost型DC/DC直流改换器由电感Lf、开关管S1b和S2b、电容Cf构成。

  其间Um为输入电压幅值；w=2pf，为输入电压角频率；f为输入电压频率。

  在[t0～t1] 时段内，uin0, iLf 0。此刻开关管S1b、S2b恒通，S1a、S2a高频互补注册，正向Boost型DC/DC直流改换器作业，其两种开关模态如图3所示。(图中回路框表明电感电流iLf流经的道路，箭头表明电压、电流的实践方向；恒通的开关管省去，用直线替代。)

  当开关管S1a注册、S2a关断时，电感电流iLf经电感Lf、沟通开关管S1、输入电源uin流转，如图3(a)所示；当开关管S1a断开，S2a注册时，电感电流iLf经电感Lf、沟通开关管S2、电容Cf和负载、输入电源uin流转，如图3(b)所示。

  在[t1～t2]时段内，uin 0, iLf 0，此刻开关管S1b、S2b恒通，S1a、S2a高频互补注册，正向Boost型DC/DC直流改换器作业，其两种开关模态如图4所示。

  当开关管S1a注册、S2a关断时，电感电流iLf经电感Lf、输入电源uin、沟通开关管S1流转，如图4(a)所示；当开关管S1a断开，S2a注册时，电感电流iLf经电感Lf、输入电源uin、电容Cf和负载、沟通开关管S2流转，如图4(b)所示。

  当开关管S1b导通，S2b断开时，电感电流iLf经电感Lf、输入电源uin、沟通开关管S1流转，如图5(a)所示；当开关管S1b断开，S2b注册时，电感电流iLf经电感Lf、输入电源uin、电容Cf和负载、沟通开关管S2流转，如图5(b)所示。

  当开关管S1b导通，S2b断开时，电感电流iLf经电感Lf、沟通开关管S1、输入电源uin流转，如图6(a)所示；当开关管S1b断开，S2b注册时，电感电流iLf经电感Lf、沟通开关管S2、电容Cf和负载、输入电源uin流转，如图6(b)所示。

  经过对单相Boost型AC/AC沟通改换器的作业原理的剖析可知，不管电感电流方向怎么，开关管的作业模态只与输入电压的极性有关。当uin 0时，开关管S1b、S2b恒通，S1a、S2a高频互补注册, 正向Boost型DC/DC直流改换器作业；当uin 0时，开关管S1a、S2a恒通，S1b、S2b高频互补注册，反向Boost型DC/DC直流改换器作业。由此可得单相Boost型AC/AC沟通改换器的操控框图，如图7所示。

  输入电压经采样后，由过零比较器得到输入电压uin的极性信号SP1，SP1反相得到信号SN1; 输出电压uo的反应采样信号uo_f与基准输出电压uo_ref比较，经PI调节后得到电压差错信号ue，ue与三角波作比较，得到高频PWM操控信号SP2，SP2反相后得到操控信号SN2; SP1、SN1别离与SP2、SN2进行逻辑或调制，得到开关管S1a、S1b、S2a、S2b的操控信号K1a、K1b、K2a、K2b。

  为了验证Boost型 AC/AC沟通改换器理论剖析的正确性和操控战略的可行性，对该改换器进行了仿线仿真波形

  仿真参数如下：输入电压的有效值Uin=110 V，基准输出电压的有效值Uo_ref =220 V，开关管选用抱负器材；输入电压频率为50 Hz；开关频率为50 kHz；电感Lf =500 μH，电容Cf =10 μF。

  开关管S1a、S1b、S2a、S2b的操控信号K1a、K1b、K2a、K2b的仿线(b)中是沟通开关管S1两头电压uS1、输入电压uin和输出电压uo的仿真波形，其间uo和uin相位相同，沟通开关管S1两头的电压uS1是以输出电压uo为包络线试验波形

  制作了一台试验原理样机，开关管选用MOSFET IRFP460PL，试验参数为：输入电压的有效值Uin=110 V，基准输出电压的有效值Uo_ref =220 V；输入电压频率为50 Hz；开关频率为23 kHz；电感Lf =900 ?H，电容Cf =4.4 ?F。试验波形如图9所示。

  图9(a)为开关管操控信号K1a、K1b、K2a、K2b的试验波形；图9(b)为输出电压uo和沟通开关管S1两头电压uS1的试验波形；图9(c)为输入电压uin和输出电压uo的试验波形。可见，输出电压uo和输入电压uin相位共同；沟通开关管两头电压uS1是高频电压脉冲序列，其包络线 定论