新型单相交流变换器*

房绪鹏，赵志远，李辉

(山东科技大学电气与自动化学院，山东青岛266590)

新型单相交流变换器*

房绪鹏*，赵志远，李辉

(山东科技大学电气与自动化学院，山东青岛266590)

提出一种新型单相交流变流器，使用较少的功率器件实现单级功率变换，利于提高变换器的功率密度和变换效率。通过分析该新型单相交流变换器的电路拓扑结构和工作原理，利用电感的伏秒平衡，应用MATLAB/Simulink对电路进行开环仿真，以及实验电路实现了电路拓扑结构。实验结果和仿真结果具有统一性，共同验证了新型单相交流变流器的正确性和可靠性。关键词:电力电子;新型单相变流器;伏秒平衡;PWM

斩控式交流变换器是一种基于全控型半导体开关元件及脉宽调制技术(PWM)的新型交流变换器［1-3］。因其具有高频环节可有效的解决现有传统电力变压器笨重、空载损耗严重的问题，并可通过控制PWM波来实现无级连续调压，与相控式交流变换器相比可大大减少谐波含量提高功率因数，并且控制简单，动态性能好，引起业界的广泛关注［4-5］。常见的斩控式交流变换器有BUCK，BUCK-BOOST，BOOST，CUK型拓扑结构的交流调压电路，以及近年来提出的π型BUCK-BOOST电路［6-9］。本文在准Z源变换器［10-12］的基础上提出一种新型交流变流器电路拓扑，它具有可以实现升降压变换，输出电压与输入电压的相位可相同或相差180°，抗干扰能力较强的特点［13］。

1 电路拓扑结构

本电路拓扑结构有3个有源器件VS1，VS2，VS3，各附带一个二极管全桥，和由电容电感组成的一个特殊的LC网络。VS1，VS2，VS3工作频率较高，远远高于电源电压频率。通过改变PWM控制信号的占空比来使输出电压达到期望的值。

图1 新型交流变换器拓扑图

2 工作原理

2.1 工作状态

电路元件的参数对称，即L2=L3，C1=C2=C。根据VS1，VS2，VS3工作状态，电路可分为3个状态，在状态a阶段，开关管VS1，VS2关断，开关管VS3闭合，占空比为Da。在状态b阶段，开关管VS1，VS3关断，占空比为Db。在状态c阶段，开关管VS2，VS3关断，开关管VS1导通，占空比为Dc。并且Da+Db+Dc=1。

图2 电路的3个工作状态

设电感L1的电流为IL，电容器C1与C2的电压为VC，电感L2与电感L3的电流为Idc，在过渡过程对电路建模得:

因:

将式(2)代入式(1)中得

2.2 电压增益推导

因电路中电力电子开关的开关频率远大于电源的频率，电路在稳定后，在一个电源周期内电容器电压的变化ΔUc=0，电感电流的变化量ΔIL=0，即在一个开关周期内，流经电容器的电流积分为0，加在电感两端的电压积分为零。电感在一个电源周期内的电压积分为0，在a、b、c 3个状态中输入电源，电感L1，电感L2，电容器C1都形成一条回路，输入电源与电容器C2及电感L3都形成另一条回路。这里以输入电源，电感L1，电容器C形成的回路进行分析。在a、b、c 3个状态满足:

ui=ul1+ul2+uc1(4)

因电感L1，电感L2的两端电压在一个开关周期的积分为零，得到:

因:

推得:

因开关频率远大于电源频率，电源的输入电压在一个周期内的变化量很小，可得电容器C1两端的电压等于输入电源的电压，同理可得电容器C2两端的电压等于输入电源的电压。

下面来推导电路的电压增益，以电感L1两端的电压在一个电源周期内的积分为0入手进行推导，在3个状态期间加在电感L1两端的电压分别为:

将uc1=ui，uc2=ui代入。

a、b、c 3个状态的占空比为Da，Db，Dc。对应的时间为Ta，Tb，Tc，有:

即:

解得升压因子B为

因Da+Db+Dc=1，占空比的自由度为2。Da、Db和Dc3个变量确定其中的两变量后另一个变量随之确定。升压因子B可表示为图3。

图3 电路升压因子B

2.3 输出电压纹波

在一个开关周期内，电容器C3在状态a存储的能量在状态b和状态c阶段为负载提供能量，假设负载为纯阻型负载，得:

又因:

所以

3 控制策略

电路可以通过改变3个占空比的比值来得到任意的输出电压，升压因子可分为3种情况，即B＞1，输出电压高于输入电压，相位与输入电压相同;0＜B＜1，输出电压低于输入电压，相位与输出电压相同; B＜0，输出电压的相位与输入电压的相位相差180°。

图4 每个开关只有两个开关状态的增益

模式1 Dc为0，输出电压大于输入电压，仅在工作状态a和工作状态b之间切换，并且Da+Db= 1，电压增益B为:

模式2 Db为0，仅在工作状态a和状态c之间切换，并且Da+Dc=1，电压增益B为:

在模式2通过改变Da可使电压增益0＜B＜1及B＜0。

采用表1所示的控制方法。通过改变占空比可得到任意的输入电压如图5所示。

图5 MATLAB的仿真波形

表1 控制状态

本电路的另一个优点是同其他可升降压的AC变流器相比，安全性更高，例如在工作过程中某一时刻，控制信号由于某种原因突然全部丢失，电感两端不会产生过电压。在某些工作环境恶劣的场合可以通过加入一定比例的状态C来降低开关器件的关断和开通参数的要求。

4 实验验证

在实验室中搭建样机，选择参数为:L1，L2，L3分别为1mH，330μH，330μH;C1和C2为10μF，C3为20μF;附加控制电路和驱动电路，负载为37.5Ω。通过调压器模拟输入电压从110 V输入跌落为80 V。测AC/AC变换器的输入输出电压波形如图6所示。

图6 输入输出电压波形

通过示波器可以测试到AC/AC变换器的输出结果如图7所示。

可得输出电压的有效值约为109.6 V频率和输入电压相同，具有较好的稳压特性。将示波器的时间刻度进行细分，输入与输出的电压相位如图8所示。

图7 输入输出电压波形测量

图8 输入输出电压相位波形

经计算输入输出的相位角约为5.4°。本电路分析时按理想状态分析，但储能元件的过渡过程并不是瞬间完成的，电子元件也存在一定阻值，所以输入与输出存在一定的相位差。

5 结论

(1)本文提出一种新型交流斩波式变换器电路拓扑，通过改变功率开关的占空比可实现输出期望的任意电压增益B，可以稳定输出电压。

(2)电路工作在高频模式，电路的电容器及电感较小，电路结构简单紧凑，可靠性较高。

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房绪鹏(1971-)，男，山东汶上人，博士后，副教授，主要研究方向为阻抗源变流器及其应用，现代电力电子技术在电力系统、电气传动和新兴能源利用方面的应用等，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

项目来源:山东科技大学研究生教育创新计划项目(2014BK023);山东省自然科学基金项目(ZR2009FM017);中国博士后科学基金项目(20090461254);山东省“泰山学者”建设工程专项经费项目;山东科技大学科研创新团队等项目

2016-01-17修改日期:2016-02-27