基于單相Boot型 AC/AC交流變換器的分析與實現

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]，其中可用于升壓變換的主要有工頻變壓器、交-直-交變換器、電子變壓器[3-4]、高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC交流變換器[5-6]、非隔離的Boost型、Buck-Boost型AC/AC交流變換器[7-11]。

工頻變壓器體積重量大，且無穩(wěn)壓及調壓功能；交-直-交變換器變換級數過多，變換效率不高，對電網諧波污染嚴重，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)壓及調壓功能，且開關器件數量眾多；高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC交流變換器雖然可實現電氣隔離，但拓撲結構及控制電路復雜，且開關器件數量眾多；Buck-Boost型AC/AC交流變換器能實現升降壓功能，但其開關管電壓應力高，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交流變換器具有結構簡單、容易控制等特點。本文詳細分析了單相Boost型AC/AC交流變換器的工作原理及其控制策略，對其進行了仿真研究，并研制了一臺原理樣機，仿真及試驗結果與理論分析一致。

2 電路結構與工作原理

圖1為單相Boost型AC/AC交流變換器的電路結構[7]，其中S1（S1a、S1b）和S2（S2a、S2b）為兩對交流開關管，二者高頻互補開通，開通時間分別為DTS、(1-D)TS，其中D為占空比，TS為開關周期。

該變換器可看成正反兩個Boost型DC/DC直流變換器的組合，當輸入電壓大于零時，正向Boost型DC/DC直流變換器由電感Lf、開關管S1a和S2a、電容Cf構成；當輸入電壓小于零時，反向Boost型DC/DC直流變換器由電感Lf、開關管S1b和S2b、電容Cf構成。

假設輸入電壓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。根據輸入電壓uin和電感電流iLf的極性不同，在一個輸入電壓周期內，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] 時段內，uin>0, iLf >0。此時開關管S1b、S2b恒通，S1a、S2a高頻互補開通，正向Boost型DC/DC直流變換器工作，其兩種開關模態(tài)如圖3所示。(圖中回路框表示電感電流iLf流經的路線，箭頭表示電壓、電流的實際方向；恒通的開關管省去，用直線代替。)

當開關管S1a開通、S2a關斷時，電感電流iLf經電感Lf、交流開關管S1、輸入電源uin流通，如圖3(a)所示；當開關管S1a斷開，S2a開通時，電感電流iLf經電感Lf、交流開關管S2、電容Cf和負載、輸入電源uin流通，如圖3(b)所示。

(2) uin > 0, iLf 0

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

當開關管S1a開通、S2a關斷時，電感電流iLf經電感Lf、輸入電源uin、交流開關管S1流通，如圖4(a)所示；當開關管S1a斷開，S2a開通時，電感電流iLf經電感Lf、輸入電源uin、電容Cf和負載、交流開關管S2流通，如圖4(b)所示。

(3) uin 0, iLf 0

在[t2～t3]時段內，uin 0, iLf 0，此時開關管S1a、S2a恒通，S1b、S2b高頻互補開通，反向Boost型DC/DC直流變換器工作，如圖5所示。

當開關管S1b導通，S2b斷開時，電感電流iLf經電感Lf、輸入電源uin、交流開關管S1流通，如圖5(a)所示；當開關管S1b斷開，S2b開通時，電感電流iLf經電感Lf、輸入電源uin、電容Cf和負載、交流開關管S2流通，如圖5(b)所示。

(4) uin 0, iLf > 0

在[t3～t4]時段內，uin0, iLf >0，此時開關管S1a、S2a恒通，S1b、S2b高頻互補開通，反向Boost型DC/DC直流變換器工作，如圖6所示。

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