新型單相交流變換器*

房緒鵬，趙志遠，李輝

(山東科技大學電氣與自動化學院，山東青島266590)

新型單相交流變換器*

房緒鵬*，趙志遠，李輝

(山東科技大學電氣與自動化學院，山東青島266590)

提出一種新型單相交流變流器，使用較少的功率器件實現單級功率變換，利于提高變換器的功率密度和變換效率。通過分析該新型單相交流變換器的電路拓撲結構和工作原理，利用電感的伏秒平衡，應用MATLAB/Simulink對電路進行開環仿真，以及實驗電路實現了電路拓撲結構。實驗結果和仿真結果具有統一性，共同驗證了新型單相交流變流器的正確性和可靠性。關鍵詞:電力電子;新型單相變流器;伏秒平衡;PWM

斬控式交流變換器是一種基于全控型半導體開關元件及脈寬調制技術(PWM)的新型交流變換器［1-3］。因其具有高頻環節可有效的解決現有傳統電力變壓器笨重、空載損耗嚴重的問題，并可通過控制PWM波來實現無級連續調壓，與相控式交流變換器相比可大大減少諧波含量提高功率因數，并且控制簡單，動態性能好，引起業界的廣泛關注［4-5］。常見的斬控式交流變換器有BUCK，BUCK-BOOST，BOOST，CUK型拓撲結構的交流調壓電路，以及近年來提出的π型BUCK-BOOST電路［6-9］。本文在準Z源變換器［10-12］的基礎上提出一種新型交流變流器電路拓撲，它具有可以實現升降壓變換，輸出電壓與輸入電壓的相位可相同或相差180°，抗干擾能力較強的特點［13］。

1 電路拓撲結構

本電路拓撲結構有3個有源器件VS1，VS2，VS3，各附帶一個二極管全橋，和由電容電感組成的一個特殊的LC網絡。VS1，VS2，VS3工作頻率較高，遠遠高于電源電壓頻率。通過改變PWM控制信號的占空比來使輸出電壓達到期望的值。

圖1 新型交流變換器拓撲圖

2 工作原理

2.1 工作狀態

電路元件的參數對稱，即L2=L3，C1=C2=C。根據VS1，VS2，VS3工作狀態，電路可分為3個狀態，在狀態a階段，開關管VS1，VS2關斷，開關管VS3閉合，占空比為Da。在狀態b階段，開關管VS1，VS3關斷，占空比為Db。在狀態c階段，開關管VS2，VS3關斷，開關管VS1導通，占空比為Dc。并且Da+Db+Dc=1。

圖2 電路的3個工作狀態

設電感L1的電流為IL，電容器C1與C2的電壓為VC，電感L2與電感L3的電流為Idc，在過渡過程對電路建模得:

因:

將式(2)代入式(1)中得

2.2 電壓增益推導

因電路中電力電子開關的開關頻率遠大于電源的頻率，電路在穩定后，在一個電源周期內電容器電壓的變化ΔUc=0，電感電流的變化量ΔIL=0，即在一個開關周期內，流經電容器的電流積分為0，加在電感兩端的電壓積分為零。電感在一個電源周期內的電壓積分為0，在a、b、c 3個狀態中輸入電源，電感L1，電感L2，電容器C1都形成一條回路，輸入電源與電容器C2及電感L3都形成另一條回路。這里以輸入電源，電感L1，電容器C形成的回路進行分析。在a、b、c 3個狀態滿足:

ui=ul1+ul2+uc1(4)

因電感L1，電感L2的兩端電壓在一個開關周期的積分為零，得到:

因:

推得:

因開關頻率遠大于電源頻率，電源的輸入電壓在一個周期內的變化量很小，可得電容器C1兩端的電壓等于輸入電源的電壓，同理可得電容器C2兩端的電壓等于輸入電源的電壓。

下面來推導電路的電壓增益，以電感L1兩端的電壓在一個電源周期內的積分為0入手進行推導，在3個狀態期間加在電感L1兩端的電壓分別為:

將uc1=ui，uc2=ui代入。

a、b、c 3個狀態的占空比為Da，Db，Dc。對應的時間為Ta，Tb，Tc，有:

即:

解得升壓因子B為

因Da+Db+Dc=1，占空比的自由度為2。Da、Db和Dc3個變量確定其中的兩變量后另一個變量隨之確定。升壓因子B可表示為圖3。

圖3 電路升壓因子B

2.3 輸出電壓紋波

在一個開關周期內，電容器C3在狀態a存儲的能量在狀態b和狀態c階段為負載提供能量，假設負載為純阻型負載，得:

又因:

所以

3 控制策略

電路可以通過改變3個占空比的比值來得到任意的輸出電壓，升壓因子可分為3種情況，即B＞1，輸出電壓高于輸入電壓，相位與輸入電壓相同;0＜B＜1，輸出電壓低于輸入電壓，相位與輸出電壓相同; B＜0，輸出電壓的相位與輸入電壓的相位相差180°。

圖4 每個開關只有兩個開關狀態的增益

模式1 Dc為0，輸出電壓大于輸入電壓，僅在工作狀態a和工作狀態b之間切換，并且Da+Db= 1，電壓增益B為:

模式2 Db為0，僅在工作狀態a和狀態c之間切換，并且Da+Dc=1，電壓增益B為:

在模式2通過改變Da可使電壓增益0＜B＜1及B＜0。

采用表1所示的控制方法。通過改變占空比可得到任意的輸入電壓如圖5所示。

圖5 MATLAB的仿真波形

表1 控制狀態

本電路的另一個優點是同其他可升降壓的AC變流器相比，安全性更高，例如在工作過程中某一時刻，控制信號由于某種原因突然全部丟失，電感兩端不會產生過電壓。在某些工作環境惡劣的場合可以通過加入一定比例的狀態C來降低開關器件的關斷和開通參數的要求。

4 實驗驗證

在實驗室中搭建樣機，選擇參數為:L1，L2，L3分別為1mH，330μH，330μH;C1和C2為10μF，C3為20μF;附加控制電路和驅動電路，負載為37.5Ω。通過調壓器模擬輸入電壓從110 V輸入跌落為80 V。測AC/AC變換器的輸入輸出電壓波形如圖6所示。

圖6 輸入輸出電壓波形

通過示波器可以測試到AC/AC變換器的輸出結果如圖7所示。

可得輸出電壓的有效值約為109.6 V頻率和輸入電壓相同，具有較好的穩壓特性。將示波器的時間刻度進行細分，輸入與輸出的電壓相位如圖8所示。

圖7 輸入輸出電壓波形測量

圖8 輸入輸出電壓相位波形

經計算輸入輸出的相位角約為5.4°。本電路分析時按理想狀態分析，但儲能元件的過渡過程并不是瞬間完成的，電子元件也存在一定阻值，所以輸入與輸出存在一定的相位差。

5 結論

(1)本文提出一種新型交流斬波式變換器電路拓撲，通過改變功率開關的占空比可實現輸出期望的任意電壓增益B，可以穩定輸出電壓。

(2)電路工作在高頻模式，電路的電容器及電感較小，電路結構簡單緊湊，可靠性較高。

［1］袁靜，陸超.一種新型交交變換器的研究［J］.電測與儀表，2012，49(11):97-100.

［2］胡建平，李培強.一種有源調壓變換器的實現［J］.電子器件，2015，38(6):1452-1456.

［3］房緒鵬.單相電壓型Z源AC/AC變流器電路［J］.電力電子技術，2006，40(6):96-97.

［4］李春祥，李壯舉，王佳，等.基于互補PWM控制的雙功率變換在混合儲能控制中的研究［J］.電子器件，2014，37(5):973-977.

［5］房緒鵬.斬控式交流調壓器的幾種新型拓撲［J］.電力電子技術，2001(1):45-47.

［6］于鵬飛.基于Cuk型AC/AC變換器研究及應用［D］.天津:天津理工大學，2014.

［7］張友軍，翁振明，王阿敏，等.π型Buck-boost交流變換器［J］.電力電子技術，2012，46(3):58-61.

［8］洪峰，孫剛，蔡兆奇，等.雙Buck雙向交流斬波器［J］.電力電子技術，2008，28(28):18-22.

［9］張鐵竹，楊岳峰.基于多頻脈沖序列控制BUCK變換器的研究［J］.電子器件，2015，38(6):1356-1359.

［10］Costinett D J.Analysis and Design of High Efficiency，High Conversion Ratio，DC-DC Power Converters［D］.University of Colorado，2013.

［11］劉勝杰，吳苓芝.一種準Z-源DC-DC變流器的研究［J］.微型機與應用，2012，31(17):33-35.

［12］程紅江.開關電感型Z-源/準Z-源逆變器的研究［D］.安徽:安徽大學，2014.

［13］Nguyen M K，Jung Y G，Lim Y C.Single-Phase AC-ACConv-Erter Based on Quasi-Z-Source Topology［J］.IEEE Trans Power Electron，2010，25(8):2200-2210.

房緒鵬(1971-)，男，山東汶上人，博士后，副教授，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方面的應用等，xpfang69@163.com。

Novel Single Phase AC Converter*

FANG Xupeng*，ZHAO Zhiyuan，LIHui

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

A new type of single-phase ac converter is presented，it uses less power devices and realizes the single stage power conversion，and then the power density and transformation efficiency of the converter are improved.Through the analysis of the circuit topology structure and working principle of the new type of single-phase ac converter，using the volt-second characteristics of the inductor，the MATLAB/Simulink performs the simulation for the open loop ac converter circuit，and the experimental circuit implement the circuit topology.The experimental results and simulation results have consistency，and both of them verify the validity and reliability of the new type of single-phase ac converter.

power electronics;new type of single-phase converter;Volt-second balance;PWM

C:1290B

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.046

TM 464

:A

:1005－9490(2017)01－0244－05

項目來源:山東科技大學研究生教育創新計劃項目(2014BK023);山東省自然科學基金項目(ZR2009FM017);中國博士后科學基金項目(20090461254);山東省“泰山學者”建設工程專項經費項目;山東科技大學科研創新團隊等項目

2016-01-17修改日期:2016-02-27