Buck型 AC/AC交流變換器的設計與實現

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]，其中可用于降壓變換的主要有工頻變壓器、相控交流調壓電路[2-3]、交-直-交變換器、電子變壓器[4-5]、高頻交流環節AC/AC交流變換器[6-7]、矩陣變換器[8]和非隔離的Buck型、Buck-Boost型AC/AC交流變換器[9]。

工頻變壓器體積重量大，無穩壓及調壓功能；相控交流調壓電路輸入、輸出含有嚴重的諧波分量，一般只適用于熱或機械慣性較大的負載功率調整[3]；交-直-交變換器變換級數過多，其變換效率不高，且對電網諧波污染嚴重；電子變壓器體積重量小，其開關器件數量眾多，且同樣沒有穩壓及調壓功能；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，而且開關器件數量眾多；矩陣變換器同樣存在開關器件多、控制策略復雜的問題，并且其最大增益僅為0.866；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；在無需電氣隔離的降壓場合，Buck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Buck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Buck型AC/AC交流變換器的電路結構，其中S1（S1a、S1b）和S2（S2a、S2b）為兩對交流開關管，兩者互補開通，開通時間分別為DTS、(1-D)TS，其中D為占空比，TS為開關周期。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。占空比D為常數，故輸出電壓uo也是正弦變化，其相位和輸入電壓uin一致，但幅值不大于Um。

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，存在四種不同階段：uin >0, iLf >0；uin >0, iLf 0；uin 0, iLf0；uin 0, iLf >0。

(1) uin > 0, iLf > 0

開關管S1b、S2b恒通，S1a、S2a高頻互補開通，該階段電路兩種開關模態如圖2所示。(圖中實線表示電流流經的路線，虛線表示電流未經過的路線，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，輸入電壓通過開關管S1a、電感Lf給電容Cf和負載供電，如圖2(a)所示；當開關管S1a斷開、S2a開通時，電感電流iLf經Lf、Cf和負載、開關管S2a的反向二極管續流，Lf和Cf共同向負載供電，如圖2(b)所示。