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Buck型 AC/AC交流变换器的设计与实现

作者:    来源:IT165收集  发布日期:2012-01-12 16:34:37

1 引言
   
AC/AC交流变换是把一种形式的交流电变换为另一种形式的交流电[1-2],其中可用于降压变换的主要有工频变压器、相控交流调压电路[2-3]、交-直-交变换器、电子变压器[4-5]、高频交流环节AC/AC交流变换器[6-7]、矩阵变换器[8]和非隔离的Buck型、Buck-Boost型AC/AC交流变换器[9]。
   
工频变压器体积重量大,无稳压及调压功能;相控交流调压电路输入、输出含有严重的谐波分量,一般只适用于热或机械惯性较大的负载功率调整[3];交-直-交变换器变换级数过多,其变换效率不高,且对电网谐波污染严重;电子变压器体积重量小,其开关器件数量众多,且同样没有稳压及调压功能;高频交流环节AC/AC交流变换器虽然可实现电气隔离,但拓扑结构及控制电路复杂,而且开关器件数量众多;矩阵变换器同样存在开关器件多、控制策略复杂的问题,并且其最大增益仅为0.866;Buck-Boost型AC/AC交流变换器能实现升降压功能,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,从而变换效率不高,且输入输出相位相反;在无需电气隔离的降压场合,Buck型AC/AC交流变换器具有结构简单、容易控制等特点。本文详细分析了Buck型AC/AC交流变换器的工作原理及其控制策略,对其进行了仿真研究,并研制了一台原理样机,仿真及试验结果与理论分析一致。
   
2 电路结构与工作原理

图1为Buck型AC/AC交流变换器的电路结构,其中S1(S1a、S1b)和S2(S2a、S2b)为两对交流开关管,两者互补开通,开通时间分别为DTS、(1-D)TS,其中D为占空比,TS为开关周期。假设输入电压uin为理想正弦波,则:
1.jpg
其中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。占空比D为常数,故输出电压uo也是正弦变化,其相位和输入电压uin一致,但幅值不大于Um。
2.jpg
 
 输入电压uin和电感电流iLf的参考方向见图1所示。根据输入电压uin和电感电流iLf的极性不同,在一个输入电压周期内,存在四种不同阶段:uin >0, iLf >0;uin >0, iLf <0;uin <0, iLf<0;uin <0, iLf >0。
   
(1) uin > 0, iLf > 0
   
开关管S1b、S2b恒通,S1a、S2a高频互补开通,该阶段电路两种开关模态如图2所示。(图中实线表示电流流经的路线,虚线表示电流未经过的路线,箭头表示电压、电流的实际方向;恒通的开关管省去,用直线代替。
   
当开关管S1a开通、S2a关断时,输入电压通过开关管S1a、电感Lf给电容Cf和负载供电,如图2(a)所示;当开关管S1a断开、S2a开通时,电感电流iLf经Lf、Cf和负载、开关管S2a的反向二极管续流,Lf和Cf共同向负载供电,如图2(b)所示。
  3.jpg 

图2 uin > 0, iLf > 0时的开关模态:
   
(a) S1a开通、S2a关断;
   
(b) S1a关断、S2a开通
   
(2)  uin > 0, iLf < 0
   
开关管S1b、S2b恒通,S1a、S2a高频互补开通,该阶段电路两种开关模态如图3所示。
   
当开关管S1a开通、S2a关断时,输入电压通过开关管S1a的反向二极管、电感Lf给电容Cf和负载供电,如图3(a)所示;当开关管S1a断开,S2a开通时,电感电流iLf经Lf、开关管S2a、Cf和负载续流,Lf和Cf共同向负载供电,如图3(b)所示。
   
 4.jpg

图3 uin > 0, iLf< 0时的开关模态:
   
(a) S1a开通、S2a关断;
   
(b) S1a关断、S2a开通
   
(3) uin <0, iLf < 0
  
 开关管S1a、S2a恒通,S1b、S2b高频互补开通,该阶段电路两种开关模态如图4所示。
  
5.jpg 

图4 uin< 0, iLf < 0时的开关模态:

Tag标签: Buck   AC/AC   交流变换器  
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