單周控制的單相交流斬波調(diào)壓電路

1 引言

傳統(tǒng)上，交流電壓變換是通過變壓器的電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)變壓器輸入電壓發(fā)生變化，其輸出電壓也要相應(yīng)變化，有些電氣設(shè)備還需要利用交流穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，在某些場(chǎng)合，負(fù)載電壓還要求能調(diào)節(jié)，這時(shí)宜用如自耦變壓器之類的可調(diào)變壓器。這些是大眾常用的方法。但是隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，地球資源的逐漸枯竭，為了實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，傳統(tǒng)的采用大量銅、鐵等貴金屬的變壓器將逐漸退出歷史舞臺(tái)，而由電力電子元件組成可調(diào)壓AC/AC變換器來代替，本文正是從這方面來進(jìn)行探討。

過去曾經(jīng)用雙向晶閘管的相控方法，來做恒頻下的降壓調(diào)節(jié)，由于晶閘管是半控元件，這樣的調(diào)節(jié)會(huì)造成很大的電壓畸變，產(chǎn)生諧波、消耗無功功率和功率因數(shù)變差，所以僅在一些功率較小的裝置上采用。

隨著功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，功率半導(dǎo)體器件廣泛應(yīng)用于AC/AC變換器，主要有AC/DC/AC變換器、矩陣變換器、高頻鏈AC/AC變換器和基于DC/DC拓?fù)涞闹苯覣C/AC變換器。AC/DC/AC變換器適用于同時(shí)需要變頻、變壓的場(chǎng)合，變換級(jí)數(shù)及所用元件多，而且其整流濾波環(huán)節(jié)對(duì)電網(wǎng)污染嚴(yán)重；矩陣變換器可實(shí)現(xiàn)高輸入功率因數(shù)，但由于其開關(guān)數(shù)量多導(dǎo)致成本增高，同時(shí)它的控制策略也很復(fù)雜；高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器也存在著成本高，控制復(fù)雜等問題。

為實(shí)現(xiàn)AC/AC電壓變換，近年來人們己廣泛利用全控型電力電子開關(guān)進(jìn)行斬波（PWM）控制硎迪[1，2]。

本文將對(duì)單相交流電壓，通過單周控制實(shí)現(xiàn)AC/AC直接變換的斬控式調(diào)壓進(jìn)行研究，并且力圖用的開關(guān)數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

本文主要研究了在Buck電路上的AC/AC變換，它有調(diào)壓功能，但調(diào)壓范圍是低于輸入電壓。由于采用單周控制，它的動(dòng)態(tài)性能好、在負(fù)荷變化時(shí)有一定的穩(wěn)壓能力。所以說它兼有變壓、調(diào)壓、穩(wěn)壓的功能，應(yīng)該指出該電路的濾波部分仍需用到電感器和電器，亦即仍需消耗部分金屬資源，但由于斬波頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工頻，體積、重量都不大。文中列出了串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的AC/AC變換電路，主要針對(duì)后一種電路作了Matlab/Simulink仿真，證明這類電路是可行的，值得進(jìn)一步研究，以完善附加保護(hù)、限制功能，使之達(dá)到實(shí)用階段。

本文采用數(shù)字控制方法使變換器在一定的正弦輸入電壓范圍內(nèi)都能輸出穩(wěn)定的正弦電壓，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，控制簡(jiǎn)便，有著廣闊的發(fā)展前景。

2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與基本工作原理

單相AC/AC轉(zhuǎn)換電路的拓?fù)淇捎卸喾N[1，2]，圖1為該變換器典型主電路的拓?fù)鋱D。(a)為串聯(lián)式，即在交流電壓正、負(fù)半波下，負(fù)荷電流到交流電源走同一支路。(b)為并聯(lián)式，即交流電壓正、負(fù)半波下，負(fù)荷電流到交流電源走不同支路。

串聯(lián)式電路工作，當(dāng)電壓為交流正弦正半波，IGBT T1、T3工作，T2，T4被D2、D4旁路不工作。在正半波斬波期間，當(dāng)T1開通時(shí)交流電壓輸出至負(fù)載，當(dāng)T1關(guān)斷時(shí)，T3導(dǎo)通起著續(xù)流作用，輸至負(fù)載的電壓為零。D1-D4 為二極管，L與C 組成 濾波電路，R 是負(fù)載。T1，T3的控制信號(hào)是互補(bǔ)的，負(fù)載上電壓大小是靠每個(gè)開關(guān)周期T1導(dǎo)通的占空比來控制的。

圖1 單相AC/AC變換主電路：(a)串聯(lián)式，(b)并聯(lián)式