单相Boost型AC-AC交流变换器工作原理及控制

2011-05-15 09:38:46来源: 互联网

概述:详细分析了单相Boost型AC/AC交流变换器的工作原理及其控制策略。通过对输入电压的极性判断,并结合输出电压误差放大信号与三角载波的比较结果,可确定各开关管的工作状态。对单相Boost型AC/AC交流变换器进行了仿真研究,并研制了一台原理样机,仿真和试验结果验证了理论分析的正确性及控制策略的可行性。

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],其中可用于升压变换的主要有工频变压器、交-直-交变换器、电子变压器[3-4]、高频交流环节AC/AC交流变换器[5-6]、非隔离的Boost型、Buck-Boost型AC/AC交流变换器[7-11]。

工频变压器体积重量大,且无稳压及调压功能;交-直-交变换器变换级数过多,变换效率不高,对电网谐波污染严重,且在升压场合还需一台升压变压器;电子变压器体积重量小,无稳压及调压功能,且开关器件数量众多;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,且开关器件数量众多;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;在无需隔离的升压场合,Boost型AC/AC交流变换器具有结构简单、容易控制等特点。本文详细分析了单相Boost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为单相Boost型AC/AC交流变换器的电路结构[7],其中S1(S1a、S1b)和S2(S2a、S2b)为两对交流开关管,二者高频互补开通,开通时间分别为DTS、(1-D)TS,其中D为占空比,TS为开关周期。

该变换器可看成正反两个Boost型DC/DC直流变换器的组合,当输入电压大于零时,正向Boost型DC/DC直流变换器由电感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直流变换器由电感Lf、开关管S1b和S2b、电容Cf构成。

假设输入电压uin为理想正弦波,则:

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。

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,存在四种不同工作阶段:uin >0, iLf >0;uin >0, iLf <0;uin <0, iLf<0;uin <0, iLf >0,如图2所示。

(1) uin > 0, iLf > 0

在[t0~t1] 时段内,uin>0, iLf >0。此时开关管S1b、S2b恒通,S1a、S2a高频互补开通,正向Boost型DC/DC直流变换器工作,其两种开关模态如图3所示。(图中回路框表示电感电流iLf流经的路线,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,电感电流iLf经电感Lf、交流开关管S1、输入电源uin流通,如图3(a)所示;当开关管S1a断开,S2a开通时,电感电流iLf经电感Lf、交流开关管S2、电容Cf和负载、输入电源uin流通,如图3(b)所示。

(2) uin > 0, iLf < 0

在[t1~t2]时段内,uin >0, iLf <0,此时开关管S1b、S2b恒通,S1a、S2a高频互补开通,正向Boost型DC/DC直流变换器工作,其两种开关模态如图4所示。

当开关管S1a开通、S2a关断时,电感电流iLf经电感Lf、输入电源uin、交流开关管S1流通,如图4(a)所示;当开关管S1a断开,S2a开通时,电感电流iLf经电感Lf、输入电源uin、电容Cf和负载、交流开关管S2流通,如图4(b)所示。

(3) uin < 0, iLf < 0

在[t2~t3]时段内,uin <0, iLf <0,此时开关管S1a、S2a恒通,S1b、S2b高频互补开通,反向Boost型DC/DC直流变换器工作,如图5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、交流开关管S1流通,如图5(a)所示;当开关管S1b断开,S2b开通时,电感电流iLf经电感Lf、输入电源uin、电容Cf和负载、交流开关管S2流通,如图5(b)所示。

(4) uin< 0, iLf > 0

在[t3~t4]时段内,uin<0, iLf >0,此时开关管S1a、S2a恒通,S1b、S2b高频互补开通,反向Boost型DC/DC直流变换器工作,如图6所示。

当开关管S1b导通,S2b断开时,电感电流iLf经电感Lf、交流开关管S1、输入电源uin流通,如图6(a)所示;当开关管S1b断开,S2b开通时,电感电流iLf经电感Lf、交流开关管S2、电容Cf和负载、输入电源uin流通,如图6(b)所示。

3 控制策略

通过对单相Boost型AC/AC交流变换器的工作原理的分析可知,无论电感电流方向如何,开关管的工作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高频互补开通, 正向Boost型DC/DC直流变换器工作;当uin < 0时,开关管S1a、S2a恒通,S1b、S2b高频互补开通,反向Boost型DC/DC直流变换器工作。由此可得单相Boost型AC/AC交流变换器的控制框图,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的反馈采样信号uo_f与基准输出电压uo_ref比较,经PI调节后得到电压误差信号ue,ue与三角波进行比较,得到高频PWM控制信号SP2,SP2反相后得到控制信号SN2; SP1、SN1分别与SP2、SN2进行逻辑或调制,得到开关管S1a、S1b、S2a、S2b的控制信号K1a、K1b、K2a、K2b。

4 仿真与实验

为了验证Boost型 AC/AC交流变换器理论分析的正确性和控制策略的可行性,对该变换器进行了仿真与实验研究。

4.1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,开关管采用理想器件;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的控制信号K1a、K1b、K2a、K2b的仿真波形如图8(a)所示;图8(b)中是交流开关管S1两端电压uS1、输入电压uin和输出电压uo的仿真波形,其中uo和uin相位相同,交流开关管S1两端的电压uS1是以输出电压uo为包络线的高频脉冲序列。

4.2实验波形

制作了一台实验原理样机,开关管采用MOSFET IRFP460PL,实验参数为: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。实验波形如图9所示。

图9(a)为开关管控制信号K1a、K1b、K2a、K2b的实验波形;图9(b)为输出电压uo和交流开关管S1两端电压uS1的实验波形;图9(c)为输入电压uin和输出电压uo的实验波形。可见,输出电压uo和输入电压uin相位一致;交流开关管两端电压uS1是高频电压脉冲序列,其包络线为输出电压uo。

5 结论

单相Boost型AC/AC交流变换器可看成正反两个Boost型DC/DC直流变换器的组合,通过对输入电压的极性判断,并结合输出电压误差放大信号与三角载波的比较结果,可确定各开关管的工作状态。该变换器具有结构简单、控制容易等优点。仿真和试验结果验证了理论分析的正确性及控制策略的可行性。

关键字:单相  控制

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0515/article_8537.html
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