單相Boost型AC-AC交流變換器工作原理及控制

概述：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。通過對輸入電壓的極性判斷，并結合輸出電壓誤差放大信號與三角載波的比較結果，可確定各開關管的工作狀態。對單相Boost型AC/AC交流變換器進行了仿真研究，并研制了一臺原理樣機，仿真和試驗結果驗證了理論分析的正確性及控制策略的可行性。

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]、高頻交流環節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，無穩壓及調壓功能，且開關器件數量眾多；高頻交流環節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, iLf<0；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，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6所示。

當開關管S1b導通，S2b斷開時，電感電流iLf經電感Lf、交流開關管S1、輸入電源uin流通，如圖6(a)所示；當開關管S1b斷開，S2b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6(b)所示。

3 控制策略

通過對單相Boost型AC/AC交流變換器的工作原理的分析可知，無論電感電流方向如何，開關管的工作模態只與輸入電壓的極性有關。當uin > 0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；當uin < 0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。由此可得單相Boost型AC/AC交流變換器的控制框圖，如圖7所示。

輸入電壓經采樣后，由過零比較器得到輸入電壓uin的極性信號SP1，SP1反相得到信號SN1; 輸出電壓uo的反饋采樣信號uo_f與基準輸出電壓uo_ref比較，經PI調節后得到電壓誤差信號ue，ue與三角波進行比較，得到高頻PWM控制信號SP2，SP2反相后得到控制信號SN2; SP1、SN1分別與SP2、SN2進行邏輯或調制，得到開關管S1a、S1b、S2a、S2b的控制信號K1a、K1b、K2a、K2b。

4 仿真與實驗

為了驗證Boost型 AC/AC交流變換器理論分析的正確性和控制策略的可行性，對該變換器進行了仿真與實驗研究。

4.1仿真波形

仿真參數如下：輸入電壓的有效值Uin=110 V，基準輸出電壓的有效值Uo_ref =220 V，開關管采用理想器件；輸入電壓頻率為50 Hz；開關頻率為50 kHz；電感Lf =500 μH，電容Cf =10 μF。

開關管S1a、S1b、S2a、S2b的控制信號K1a、K1b、K2a、K2b的仿真波形如圖8(a)所示；圖8(b)中是交流開關管S1兩端電壓uS1、輸入電壓uin和輸出電壓uo的仿真波形，其中uo和uin相位相同，交流開關管S1兩端的電壓uS1是以輸出電壓uo為包絡線的高頻脈沖序列。

4.2實驗波形

制作了一臺實驗原理樣機，開關管采用MOSFET IRFP460PL，實驗參數為：輸入電壓的有效值Uin=110 V，基準輸出電壓的有效值Uo_ref =220 V；輸入電壓頻率為50 Hz；開關頻率為23 kHz；電感Lf =900 ?H，電容Cf =4.4 ?F。實驗波形如圖9所示。

圖9(a)為開關管控制信號K1a、K1b、K2a、K2b的實驗波形；圖9(b)為輸出電壓uo和交流開關管S1兩端電壓uS1的實驗波形；圖9(c)為輸入電壓uin和輸出電壓uo的實驗波形。可見，輸出電壓uo和輸入電壓uin相位一致；交流開關管兩端電壓uS1是高頻電壓脈沖序列，其包絡線為輸出電壓uo。

5 結論

單相Boost型AC/AC交流變換器可看成正反兩個Boost型DC/DC直流變換器的組合，通過對輸入電壓的極性判斷，并結合輸出電壓誤差放大信號與三角載波的比較結果，可確定各開關管的工作狀態。該變換器具有結構簡單、控制容易等優點。仿真和試驗結果驗證了理論分析的正確性及控制策略的可行性。