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单相Boost AC/AC变换器分析与实现
发布时间:2014-11-28   点击次数:794次

单相的BOOST型AC/AC交流变换器电路结构如图1所示,其中S1(S1a、S1b)和S2(S2a、S2b)是两对交流开关管,二者间高频互补开通,开通时间为DTS、TS(1-D),其中:D为占空比,TS为开关周期。

Buck1

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:

Boost2

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。

Boost3

(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。)

Boost4

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。

Boost5

(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。

Boost6

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。

Boost7

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。

控制策略

通过对单相Boost型AC/DC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。

Boost8

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。

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。

仿真波形

仿真参数如下:输入电压的有效值Uin=110V,基准输出电压的有效值Uo_ref=220V,开关管采用理想器件;输入电压频率为50Hz;开关频率为50kHz;电感Lf=500μH,电容Cf=10μF。

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。

实验波形

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

Boost9

Boost10

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。

总结

本文详细介绍了单相boots型AC/AC交流变换器,可以看成是正反两个Boost型DC/DC直流变换器组合在一起。通过对输入电压极性判断,并结合输出电压误差放大信号与三角载波的比较结果,zui后确定开关管工作状态。该变换器易控制且结构简单,具有较大推广和实用意义。

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