0 引言

    AC/AC變換技術(shù)是應(yīng)用電力電子器件，將一種交流電能變換成另一種交流電能的變流技術(shù)，廣泛應(yīng)用于交流電壓變換的各個方面^[1]。目前主要有帶直流環(huán)節(jié)的間接型、采用高頻交流環(huán)節(jié)的直接型以及矩陣變換型等類型電路^[2]。直接型電路主要有Buck、Boost、Cuk變換器等，這類變換器的缺陷主要有單一的升壓或降壓特性、開關(guān)器件導(dǎo)通比大、器件發(fā)熱、紋波電流大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等^[3，4]。近年來Z源變流器成為眾多學(xué)者研究的熱點問題，文獻[5]提出了Z源變換器，Z源AC/AC變換器源于傳統(tǒng)Z源變換器，是一種基于X型LC網(wǎng)絡(luò)的直接型交流變換裝置^[6]，該變換器克服了傳統(tǒng)交流變換器單一的升壓或降壓特性，既可以是電壓型也可以是電流型，該Z源網(wǎng)絡(luò)允許橋路直通或開路，大大提高了電路的可靠性和安全性。該變換器具有輸出電壓調(diào)節(jié)范圍大，升降壓以及電壓的反向或同相的特點。Z源網(wǎng)絡(luò)可以降低沖擊電流和改善諧波含量，電路的可靠性大大提高^[7-9]。基于阻抗源思想，文獻[10]提出了準(zhǔn)阻抗源網(wǎng)絡(luò)的概念，其獨特的電路結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的電路特性引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，文獻[11]是在準(zhǔn)Z源的拓撲的基礎(chǔ)上設(shè)計一種AC/AC變換器，拓撲結(jié)構(gòu)不僅可以提高升壓比，還可以降低電容器電壓，但是電容器兩端的電壓依然偏高。

    為了克服以上缺陷，本文設(shè)計了一種新的AC/AC變換器電路拓撲，分析其電路結(jié)構(gòu)、工作原理，并用仿真和實驗驗證了理論分析的正確性。

1 拓撲結(jié)構(gòu)與工作原理

    小電容電壓AC/AC變換器電路拓撲由交流電U_i源、準(zhǔn)Z源串聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)、濾波電容電感(C_f、L_f)和負載R組成，其中準(zhǔn)Z源串聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)由兩個準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)而成，電路中雙向開關(guān)管S由全控型器件IGBT模塊面對面串聯(lián)組成，它可以使準(zhǔn)Z源串聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)的電感電流反向流動，從而使變換器對交流電壓構(gòu)成一個回路，小電容器電壓應(yīng)力的準(zhǔn)Z源AC/AC電路拓撲如圖1所示。

    上圖AC/AC電路用嚴(yán)格互補的PWM脈沖作為控制信號^[12]，雙向開關(guān)S₂和S₃同步通斷且與S₁互補工作。由于全控型開關(guān)的開關(guān)頻率遠遠高于電源頻率，所以在一個開關(guān)周期內(nèi)輸入可以近似看成直流，電感在一個電源周期內(nèi)能量為零^[13]，一個周期內(nèi)小電容應(yīng)力變換器根據(jù)開關(guān)器件的關(guān)斷分為兩種工作狀態(tài),由于C₁=C₂=C₃=C₄=C；L₁=L₂=L₃=L₄=L。則準(zhǔn) Z源網(wǎng)絡(luò)具有對稱性，由對稱和等效電路有：

    工作狀態(tài)2如圖3，S₁關(guān)斷，S₂和S₃導(dǎo)通，阻抗源網(wǎng)絡(luò)和電感L_f是串聯(lián)關(guān)系。電源和準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)給負載和濾波電感L_f充電，網(wǎng)絡(luò)的電容C₁～C₄將分別由電感L₁～L₄充電，根據(jù)KVL方程，此時電壓關(guān)系有：

    由上面的分析可以看出：準(zhǔn)Z源AC/AC電路基本工作狀態(tài)分為兩種，狀態(tài)1是開關(guān)S₁導(dǎo)通，S₂和S₃關(guān)斷，狀態(tài)2是開關(guān)S₁關(guān)斷，S₂和S₃導(dǎo)通，這兩種狀態(tài)是這種變換器的兩種基本工作模式，一個開關(guān)周期中的穩(wěn)定狀態(tài)。

2 升壓比及各電容器電壓關(guān)系推導(dǎo)

    在一個周期T內(nèi)，開關(guān)器件的導(dǎo)通占空比為D，則導(dǎo)通時間為DT。關(guān)斷時間為(1-D)T。變換器的電感在一個周期內(nèi)伏秒平衡。

    由式(1)(3)(4)可得：

    從式（11）可知，通過改變占空比電路可以是升壓型，也可以是降壓型。且升壓關(guān)系表達式和傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源相同。

    電壓增益與占空比關(guān)系如圖4所示，分析圖4可以得出，該類電路有兩個工作區(qū)。通過控制占空比D，可靈活地升高或降低AC/AC變流器的輸出電壓Uo，U_o既可與U_i同相位,也可以反相位，這取決于D大小，在同一占空比D的情況下，與傳統(tǒng)阻抗源變換器的升降壓能力相同。

3 與傳統(tǒng)阻抗源電路電容器電壓比較

    本文設(shè)計的AC/AC變換器與文獻[11]準(zhǔn)Z源變換器電容器電壓與輸入電壓關(guān)系作比較，用Matlab繪制出兩者的同一占空比情況下電容器電壓與輸入電壓UC/Ui關(guān)系如圖5所示。

    由圖5可以明顯得出，在同一占空比D的情況下，本文設(shè)計變換器的電容器電壓應(yīng)力明顯小于傳統(tǒng)阻抗源電路的電容器電壓應(yīng)力，大大改善了電容器電壓應(yīng)力。

4 仿真與實驗

    搭建和圖1相同的仿真電路，用仿真軟件Matlab/Simulink來仿真驗證，仿真參數(shù)：輸入電源峰值電壓U_m=24 V，L₁=L₂=L₃=L₄=40 μH，C_f=100 μF，C₁=C₂=C₃=C₄=100 μF，L_f=700 μH，負載R=20 Ω，開關(guān)頻率20 kHz。仿真給出了D=0.4和D=0.8不同占空比的情況下輸出電壓、電容器電壓和輸入電壓的關(guān)系。仿真波形如圖6、圖7所示。

    根據(jù)仿真電路搭建樣機電路，控制電路采用TMS320F2812產(chǎn)生六路PWM信號，其中兩路與另一路嚴(yán)格互補，驅(qū)動部分采用落木源KA962D驅(qū)動板，主電路全控開關(guān)管選用SGH80N60UFD Ultrafast IGBT，輸入交流電源電壓有效值16 V(峰值22.63 V)，用示波器測得了在D=0.4和D=0.8時候的升壓和降壓波形如圖8和圖9所示。

    升壓電路時如圖8所示(輸入10 V/格，輸出20 V/格，電容10 V/格）。

    降壓電路時如圖9所示(輸入10 V/格，輸出5 V/格，電容5 V/格）

    實驗波形結(jié)果驗證了理論分析和計算機仿真結(jié)果的正確性。

5 結(jié)論

    本文設(shè)計了一種小電容器電壓AC/AC變換器，它是在準(zhǔn)Z源拓撲的基礎(chǔ)上設(shè)計的，主要研究了電路的拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理，通過仿真和實驗驗證了變換器輸入輸出電壓關(guān)系，證明了電路可以明顯降低電容器電壓應(yīng)力的優(yōu)點以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

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作者信息:

房緒鵬，馬伯龍，趙  珂，趙  揚，閆  鵬

(山東科技大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，山東 青島266590)