單相準阻抗源AC-AC變換器

房緒鵬，許玉林，趙志遠，李 輝

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590)

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單相準阻抗源AC-AC變換器

房緒鵬，許玉林，趙志遠，李 輝

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590)

為克服傳統AC-AC變換器的不足，研究設計了一種新型的準阻抗源AC-AC變換器電路拓撲，分析了該變換器的電路結構、工作原理、電壓增益等。采用脈沖寬度調制(PWM)方法來改變電路中雙向開關的占空比以調節輸出電壓，應用Matlab/Simulink下的仿真模型仿真驗證了該電路的電路特性；在此基礎上構建了實驗電路，進行了相關實驗驗證。計算機仿真和樣機實驗結果均驗證了理論分析的正確性和電路的可行性。

AC-AC；準阻抗源；脈沖寬度調制；占空比；升降壓

交流調壓器在現代工業、農業、家庭、服務業等領域應用廣泛，現有的交流調壓器通常有電磁變壓器、相控式交流調壓器、斬控式交流調壓器等形式。電磁變壓器消耗大量的鐵、銅等材料，且笨重、體積大；相控式交流調壓器采用晶閘管作為開關器件，功率因數偏低，調壓范圍小；斬控式交流調壓器有buck、boost、buck-boost、cuk、flyback、forward等電路拓撲形式，采用全控型電力電子器件作為功率開關，可以實現靈活的升降壓，以及輸入/輸出的隔離，但當電路中互補式工作的開關共態導通或關斷時會造成電源短路或開關器件的過電壓。阻抗源/準阻抗源變換器誕生以來，以其獨特的電路結構和優良電路特性引起電力電子技術領域人們的廣泛關注，成為本領域的研究熱點[1-8]。準阻抗源AC-AC變換器可以克服前述交流調壓器的缺陷，具有優良的電路特性。本文設計了一種單相電壓型準阻抗源AC-AC變換器電路拓撲，分析了其電路結構、工作原理、電壓增益等，并用仿真和實驗驗證了理論分析和設計電路的正確性。

圖1 雙向開關示意圖

Fig.1 Bidirectional switch

圖2 準阻抗源AC-AC電路拓撲

Fig.2 Quasi impedance source AC-AC topology

1 準阻抗源變換器的電路分析

準阻抗源網絡由兩個對稱的電容器和電感組成，橋臂中間并聯有雙向的電力電子開關，該雙向開關既可以由全控型器件IGBT模塊或Power MOSFET面對面串聯組成，也可以由兩個全控型器件反并聯構成，使變換器對交流電壓構成一個回路，雙向開關結構如圖1所示，準阻抗源AC-AC電路拓撲如圖2所示。

本文選用了圖1(a)所示的雙向開關結構，準阻抗源AC-AC變換器共有四種工作狀態，以圖2中開關S1作為參考開關，假設電路中各器件都是理想器件，電路工作在電流連續狀態下,因為開關頻率遠遠高于交流輸入電壓的頻率，所以一個開關周期內輸入電壓可以看成是直流。電路采用脈寬寬度調制式(PWM)控制方式，兩個雙向電力電子開關互補式工作，在一個開關周期內S1、S2交替導通和關斷。

圖3所示四種工作狀態中，工作狀態1如圖3(a)，開關S1導通，S2關斷，共有三個電壓回路，C2和Vi給L1充電，C1和Vi給L2充電，同時Lf給負載供電，ILf遞減，IL遞增，此時電壓關系有：

Vi+Vc1+VL2=0；Vi+Vc2+VL1=0；V0=VLf。

(1)

工作狀態2如圖3(b)，S1導通，S2關斷，開關狀態和狀態1中相同，如果Lf不足夠大，ILf會發生反向，由電容器Cf充電，電壓回路關系和狀態1相同。

圖3 電路的四種工作狀態

工作狀態3如圖3(c)，S1關斷，S2導通，如果開關S1關斷之前，ILf是反向的，電感Lf將向電壓源和阻抗源網絡釋放能量。因為輸入電壓源、阻抗源網絡和電感Lf是串聯關系，電容器C1和C2分別由電感L1和L2充電，因此，電感電流IL是線性遞減的，ILf反向流通而且線性遞增，回路電壓關系為：

Vi+VL1+VL2=V0-VLf；VL1=Vc1；VL2=Vc2。

(2)

工作狀態4如圖3(d)，開關S1關斷，S2導通，電壓源Vi和阻抗源網絡中的電感將向Lf和負載充電。同時，電容器C1和C2將分別由電感L1和L2充電，因此，ILf正向流通而且線性遞增，IL線性遞減，狀態4下的電壓關系同樣符合公式(2)。

由上面的分析可以看出：準阻抗源AC-AC電路基本工作狀態分為兩種：開關S1導通S2關斷和開關S1關斷S2導通，實際上前述模式1和模式4是這種變換器的兩種基本工作模式，這兩種模式是一個開關周期中的穩定狀態。

2 準阻抗源AC-AC變換器輸入/輸出電壓關系

結合上述對電路工作狀態的分析，假設開關S1的占空比為D，在t0時刻導通，t1時刻關斷，導通時間T0；S2占空比為1-D，在t1時刻導通，t2時刻關斷，導通時間T1。開關周期為Ts，電感電壓在一個電源周期內平均值應該為零，根據式(1)、(2)可以得到：

(3)

(4)

在一個開關周期內電容器電壓近似保持不變，有：

(5)

(6)

聯立式(1)、(2)、(3)、(5)得到

(7)

聯立式(1)、(2)、(4)、(6)得到

(8)

由式(7)、(8)得到：

(9)

(10)

由式(9)、(10)得到

(11)

電感Lf電壓在一個電源周期內平均值應該為零，有

(12)

聯立式(11)、(12)推出

(13)

3 仿真結果

通過Matlab/Simulink仿真驗證準阻抗源AC-AC變換器，仿真參數設為Vi=24 V，fs=20 kHz，準阻抗源網絡L1=L2=300 μH，C1=C2=100 μF，Lf=700 μH，負載R=10 Ω，負載電容Cf=100 μF，在不同占空比的情況下對電路的輸入和輸出關系進行了仿真驗證，仿真結果如圖4～6所示。其中，占空比分別為D=0.4和D=0.7，輸出電壓波形縱坐標單位為伏(V)。在圖4中，輸入電壓幅值為24 V,在開關占空比為0.4的情況下，輸出電壓與輸入電壓同相，幅值為71.5 V，有效值為50.56 V，其理論值幅值為72 V，有效值為50.91 V；圖5中，輸入電壓幅值為24 V,在開關占空比為0.7的情況下，輸出電壓與輸入電壓反相，幅值為18.1 V，有效值為12.8 V，其理論值幅值為18 V，有效值為12.73 V。圖6中，占空比由0.2調整到0.3過程中，輸出電壓變化平滑，沒有明顯的過渡過程。仿真結果驗證了前述理論分析的正確性。

圖4 D=0.4輸入輸出電壓波形

Fig.4 Input/output voltage waveform whenD=0.4

圖5 D=0.7輸入輸出電壓波形

Fig.5 Input/output voltage waveform whenD=0.7

圖6 占空比變化時電壓調整過程

Fig.6 The voltage regulating process whenDis stepped

圖7 實驗電路連接圖

Fig.7 Experimental circuit connection diagram

4 實驗結果

在仿真驗證的基礎上搭建了實驗電路，電路實物圖如圖7所示，控制部分由TMS320F2812產生四路PWM信號，四路信號分成兩組，每組內信號相同，兩組信號互補，中間設置驅動電路，驅動部分采用北京落木源公司生產的KA962D驅動電路,開關管的型號選用SGH80N60UFD Ultrafast IGBT。用示波器記錄了D=0.2和D=0.8時實驗電路的輸入和輸出波形，實驗電路和輸入/輸出電壓波形如圖8、9所示。圖8為開關占空比為D=0.2時的輸入和輸出電壓波形，圖中輸入電壓幅值為28 V，輸出電壓幅值為44 V，理論值為37.3 V；圖9為開關占空比為D=0.8時的輸入和輸出電壓波形，圖中輸入電壓幅值為34 V，輸出電壓幅值為11 V，理論值為11.3 V；考慮到輸入、輸出并非純正弦波形，其中含有諧波成分，而理論值是針對基波而言的，因此實驗波形驗證了前述理論分析和計算機仿真的結論，誤差在允許的范圍內。

圖8 D=0.2時輸入輸出波形(Ui，U0：20V/格)

Fig.8 The input and output voltage waveform whenD=0.2

圖9 D=0.8時輸入輸出電壓波形(Ui：10V/格 ，U0：5V/格)

5 結論

設計并實現了一種新型的準阻抗源AC-AC變換器，基于傳統的Z源變換器進行了優化，介紹了其電路拓撲，分析了其工作狀態，通過仿真和實驗驗證了該變換器的可行性。這種新型的電路拓撲同樣適用于雙向DC-DC功率變換，使得這種新型變換器的應用領域更加廣泛和靈活，由于電路拓撲固有的優點，該電路具有較高的可靠性。該AC-AC變換器還可用來調節線路電壓，以克服電壓跌落、浪涌和負載波動造成的故障，擁有廣闊的應用前景。

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(責任編輯：李 磊)

Single Phase Quasi Impedance Source AC-AC Converter

FANG Xupeng,XU Yulin,ZHAO Zhiyuan,LI Hui

(College of Electrical Engineering and Automation,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China)

In order to overcome the shortcomings of traditional AC-AC converters,a novel quasi impedance AC-AC converter was designed and its circuit structure,working principle and voltage gain were analyzed. The output voltage was regulated by using pulse width modulation (PWM) method to change the duty ratio of the bidirectional power switch of the circuit. In order to verify the circuit characteristics of the converter,a prototype was built based on the simulation conducted by using Matlab/Simulink,and some verification experiments were done. The results of computer simulation and prototype experiments verified the validity of the theoretical analysis and the feasibility of the circuit.

AC-AC; quasi impedance source; PWM; duty ratio; buck-boost

2015-11-30

房緒鵬(1971—)，男，山東汶上人，副教授，博士后，主要研究方向為阻抗源變流器及其應用，現代電力電子技術在電力系統、電氣傳動和新興能源利用等.E-mail:xpfang69@163.com

TP397

1672-3767(2016)05-0082-05