電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC AC變換器原理研究

摘要：首次提出了電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器電路拓撲族，這類電路拓撲由輸入周波變換器、高頻變壓器、輸出周波變換器構(gòu)成。分析研究了這類變換器穩(wěn)態(tài)原理與移相控制策略，繪出了變換器的外特性曲線。這類變換器具有電路拓撲簡潔、兩級功率變換(LFAC/HFAC/LFAC)、雙向功率流、高頻電氣隔離、網(wǎng)側(cè)電流波形可得到改善、負載適應能力強等優(yōu)點。PSPICE仿真波形充分證實了這類變換器的正確性和先進性。關(guān)鍵詞：AC/AC變換器；高頻交流環(huán)節(jié)；周波變換器；電壓源；移相控制ResearchonPrinciplesofVoltageMode

1引言

電力電子研究人員對DC/DC變換器、AC/DC變換器、DC/AC逆變器高頻環(huán)節(jié)變換技術(shù)[1]的研究，已取得了顯著的成果；對AC/AC變換技術(shù)的研究僅限于交流負載與交流電網(wǎng)無電氣隔離的晶閘管相控變頻器、矩陣變換器[2]。

本文首次提出并深入研究了交流負載與交流電網(wǎng)有高頻電氣隔離的基于Forward變換器的電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器，對電力電子學的發(fā)展和實現(xiàn)新型電子變壓器、正弦交流穩(wěn)壓器均具有重要意義。

2電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器電路

拓撲族與控制原理

2．1電路結(jié)構(gòu)與拓撲族

基于Forward變換器的電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器電路結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示。該電路結(jié)構(gòu)由輸入周波變換器、高頻變壓器、輸出周波變換器構(gòu)成，能夠?qū)⒁环N正弦交流電變換成另一種同頻率的正弦交流電。輸入、輸出周波變換器均由四象限功率開關(guān)(能承受雙向電壓應力和雙向電流應力)構(gòu)成。電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器電路拓撲族共8種，如圖1(b)～(i)所示。

圖1電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器電路結(jié)構(gòu)與拓撲族

2．2控制原理

電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器采用移相

國家自然科學基金（59977010）、江蘇省自然科學基金（BK99121）資助項目。

(a)電路結(jié)構(gòu)

(b)單正激式(c)并聯(lián)交錯正激式

(d)推挽全波式(e)推挽橋式

(f)半橋全波式(g)半橋橋式

(h)全橋全波式(i)全橋橋式

控制策略，如圖2所示。四象限功率開關(guān)S1(S1′)與S2(S2′)、S3(S3′)與S4(S4′)的驅(qū)動信號為互補的高頻方波信號，但S3(S3′)與S1(S1′)、S4(S4′)與S2(S2′)之間的驅(qū)動信號均有相位差θ(0≤θ≤180°)。圖2中，Ts=1/fs為開關(guān)周期，fs為開關(guān)頻率，uAB為濾波器的前端電壓。S3(S3′)與S1(S1′)、S4(S4′)與S2(S2′)之間在一個開關(guān)周期的共同導通時間DTs/2可表示為

DTs/2=Ts(180°－θ)/(2×180°)(1)

式中：D為占空比。

3電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器穩(wěn)態(tài)

原理與外特性

3.1穩(wěn)態(tài)原理

以全橋全波式電路拓撲為例，研究這類變換器的穩(wěn)態(tài)原理與外特性，如圖3(a)所示。該變換器穩(wěn)態(tài)工作且CCM模式時，在一個開關(guān)周期Ts內(nèi)可分為四個開關(guān)狀態(tài)，其等效電路如圖3(b)～(e)所示。

圖2電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器移相控制原理

圖3(b)、(d)和圖3(c)、(e)可分別用圖4(a)、(b)所示等效電路表示，其中r為包括變壓器繞組等效電

圖3全橋全波式電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器及其CCM模式時開關(guān)狀態(tài)電路