單相電壓型準阻抗源AC?AC變換器

摘 要： 為了克服傳統AC?AC變換器的不足，提出一種新型的電壓型準阻抗源AC?AC變換電路。研究了電路基本結構、工作原理，采用脈沖寬度調制（PWM）法對電路進行總體控制改變輸出電壓，給出了Matlab/Simulink下系統電路的仿真結果，最后在仿真的基礎上利用TMS320F2812搭建了實驗電路。實驗結果驗證了電路結構的可靠性和可行性。

關鍵詞： 準阻抗源； 交流調壓； 脈沖寬度調制； 電壓型

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）14?0147?03

Quasi?Z?source AC?AC converter in single?phase voltage mode

FANG Xupeng， XU Yulin， CHEN Yao， LI Haoshu

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

Abstract： In order to overcome the shortcoming of the traditional AC?AC converter， a new quasi?Z?source AC?AC converter in voltage mode is proposed. In this paper， the fundamental structure and working principle of the circuit are studied， and the pulse width modulation （PWM） method is used for the entire control to change the output voltage. The simulation results of the system circuit based on Matlab/Simulink are given. On the basis of the simulation， the experimental circuit was established with TMS320F2812. The reliability and feasibility of the circuit are verified with experimental results.

Keywords： quasi?Z?source； AC voltage regulation； PWM； voltage mode

在傳統阻抗源變換器理論不斷成熟、逐步走向應用的基礎上，準阻抗源變換器的出現是阻抗源變換器理論和拓撲的一個新的發展。準阻抗源變換器可以克服傳統阻抗源變換器的某些缺陷，如在電壓型電路中，阻抗源網絡電容器電壓過高[1]；在電流型電路中，阻抗源網絡電感電流過大等。它既可以應用在逆變和整流功率變換，也可以用于直流斬波和交流調壓場合[2]。在只需要對電壓的大小進行變化的條件下，準阻抗源交流調壓器是一個很好的選擇。準阻抗源交流?交流變換器通過兩組全控型開關和儲能網絡將輸入、輸出耦合起來，全控型開關器件的自關斷能力大大提高了變流器的性能。通過脈沖寬度調制法（PWM）進行控制，運用在中小功率電路可以有體積小、效率高、濾波效果好等優點。此外準阻抗源調壓網絡比傳統的升降壓電路響應速度要更快，電壓波動小，輸出電能質量更好。

對提出的電壓型準阻抗源AC?AC變換器的電路結構進行了總體的介紹，給出了其工作原理，并通過仿真和實驗對理論分析進行了驗證。

1 準阻抗源的電路結構和工作原理

準阻抗源AC?AC變換器電路拓撲如圖1所示，該網絡拓撲由對稱的電感、電容器和可控雙向開關將輸入、輸出連接起來，準阻抗源網絡起到儲能和濾波的作用，全控型開關由IGBT或電力MOSFET和反并聯的二極管面對面串聯起來組成雙向開關[3?6]，通過對兩組全控型開關進行脈沖寬度調制可以使電路工作在占空比D控制的方式下。

如圖1所示的準阻抗源AC?AC變換電路的控制信號采用互補的PWM脈沖，一個開關周期內兩組功率開關管互補導通，準阻抗源網絡根據不同的占空比下電感和電容器儲能的多少來控制輸出電壓的大小。因為開關頻率fs遠遠大于輸入電源的頻率，所以對電路進行分析時輸入電壓可以看成直流[7?8]。準阻抗源AC?AC變換器根據電流方向的不同有5個工作狀態。

工作狀態1：如圖2（a）所示，開關S1導通，S2關斷，共有三個電壓回路，輸入電壓vi和電容器C2給電感L1充電，電容器C1給電感L2充電，電感Lf給負載供電，此時有

工作狀態2：如圖2（b）所示，開關S1導通，S2關斷，當在狀態1下，[ILf]遞減到零時電感Lf會由電容器Cf充電，電感電流方向將會發生反向遞增，同樣符合狀態1下的電壓關系式。

工作狀態3：如圖2（c）所示，開關S1關斷，S2導通，此時如果[ILf]是反向電流，Lf會向準阻抗源網絡反饋能量，此時電感L2給電容器C2充電，電感L1和Vi給電容器C1充電，同時vi，L1和L2給負載供電，電路的電壓關系有：

工作狀態4：如圖2（d）所示，開關S1關斷，S2導通，準阻抗源網絡的工作狀態同狀態3，只不過此時[ILf]是正向的，vi和L1，L2給負載供電，阻抗源網絡電感電流將遞減。

工作狀態5：如圖2（e）所示，狀態和工作狀態4相同，網絡電感電流遞減到[ILf]時，網絡電容器向負載供電，電壓關系在S1關斷，S2導通條件下仍然成立。

上述的5種工作狀態，分別工作在開關互補的條件下，而且每種開關狀態下回路電壓關系相同，所以在輸入電流連續的情況下電路的工作方式總體分為兩種，也就是以狀態1和狀態4為基本模式的工作狀態，這兩種狀態是一個周期的穩定狀態[9?10]。

由上面對工作狀態的分析，令D為S1開通的占空比，Ts為開關周期，S1導通時間為DTs，S2導通時間（1-D）·Ts，一個電源周期中電感L1和L2電壓為零，結合式（1）、式（2）中開關狀態下電壓關系，有：

由上面等式可以得到

可以推出電容器電壓和vi的關系：

一個電源周期內電感Lf電壓平均值為零，有：

）

最后得到輸入和輸出的電壓關系為：

2 仿真驗證

在Matlab/Simulink下給出了系統仿真結果，仿真參數為L1=L2=150 μH，C1=C2=22 μF，Lf=1 mH，Cf=50 μF，R=10 Ω，fs=20 kHz，vi=24 V。分別給出了D=0.4和D=0.7參數下仿真的升壓和降壓波形和D發生變化時電壓調整的過程，如圖3～圖5所示。

3 實驗結果

按照仿真的結果搭建實驗電路，控制電路部分采用TMS320F2812產生互補的PWM信號，驅動部分采用落木源KA962D驅動板，主電路全控開關選用SGH80

N60UFD Ultrafast IGBT，用示波器測得了在D=0.2和D=0.8時的升壓和降壓波形（紅色輸入，藍色輸出），如圖7和圖8所示。電路升壓時波形如圖7所示（輸入、輸出20 V/格）。

電路降壓時波形如圖8所示（輸入10 V/格，輸出5 V/格）。

實驗結果驗證了理論分析和計算機仿真結果的正確性。

4 結 論

本文提出了一種新型的基于準阻抗源思想的AC?AC變換電路，給出了其電路結構、工作原理和電壓增益，并通過仿真和實驗對理論分析進行了驗證。

實驗中給定了互補的PWM信號進行控制，其實當電路實行非互補控制時，如采用推挽式工作模式，占空比大于0.5或者小于0.5，準阻抗源電路還存在兩種狀態，即功率開關共態導通或共態關斷，而本文未深入進行研究。同時，這種電路結構同樣可以應用于直流?直流變換電路中，而且交換輸入/輸出位置，這種準阻抗源電路還可以實現功率流的雙向流動，這些問題將在今后的論文中論述。

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