单极性移相控制电压源高频交流环节AC/AC变换器研究

摘要：该文首次提出并深入研究了基于正激Forward变换器的单极性移相控制电压源高频交流环节AC/AC变换器。这类变换器由输入周波变换器、高频变压器、输出周波变换器、以及输入、输出滤波器构成。输入周波变换器将输入不稳定劣质的交流电压调制成双极性三态的高频交流电压, 输出周波变换器将此高频交流电压解调成单极性三态SPWM波，经输出滤波后得到稳定优质的正弦交流电压。通过输入周波变换器右桥臂相对左桥臂的移相，让输出周波变换器功率开关在输入周波变换器输出的高频交流电压为零期间进行换流，并借助输出周波变换器换流重叠和输入电压极性选择，从而实现了变压器漏感能量和输出滤波电感电流的自然换流、输出周波变换器的ZVS 开关。详细分析了这类变换器在1个高频开关周期内的12个工作模式及其等效电路，获得了变换器外特性曲线与关键电路参数设计准则。原理试验结果证实了这类变换器新概念，为实现新型电子变压器、正弦交流稳压器和交流调压器奠定了基础。
关键词：高频交流环节；AC/AC变换器；单极性移相控制；周波变换器；软换流；电力电子

1 引言
电力电子研究人员对AC/AC变换技术的研究主要局限于交流负载与交流电网无电气隔离的AC/AC变换器(晶闸管相控变频器、矩阵变换器^[1]) 和交-直-交型高频环节AC/DC/AC变换器。因此，开展交流负载与交流电网有高频电气隔离的AC/AC变换技术的研究，对实现新型正弦交流稳压器、电子变压器和交流调压器具有重要意义。
新颖的基于Forward变换器的电压源高频交流环节AC/AC变换器电路结构由输入周波变换器、高频变压器、输出周波变换器以及输入、输出滤波器构成。该电路拓扑族，包括单正激式、并联交错正激式、推挽全波式、推挽桥式、半桥全波式、半桥桥式、全桥全波式和全桥桥式电路，其中全桥全波式、全桥桥式电路拓扑，如图1所示。

对这类变换器的双极性移相控制策略已进行深入研究并有了结论^[2,3]。本文提出并深入研究了单极性移相控制策电压源高频交流环节AC/DC变换器.
2 单极性移相控制原理
单极性移相控制原理，如图2所示。输入周波变换器将输入电压u_i调制成双极性三态的电压波u_N₁, 输出周波变换器将此电压波解调成单极性SPWM波，经输出滤波后得到正弦电压u_o。输出周波变换器功率开关是在u_N₁为零期间进行换流的，实现了ZVS 开关。输入周波变换器右桥臂相对左桥臂存在移相角q，而且输出滤波器前端电压为单极性SPWM波，故为单极性移相控制。S_1a(S_1b)与S_4a(S_4b)、S_2a(S_2b)与S_3a(S_3b)之间在1个开关周期T_s内的共同导通时间为

通过调节移相角q 可实现输出电压的稳定。

3 稳态原理与外特性
3.1 稳态原理
这里仅分析u_o>0, i_Lf>0时1个开关周期内稳态工作情况, 有12个工作模式，其稳态原理波形和开关过程等效电路如图3、4所示。

流通，u_DC为零，如图4(d)所示。此时，变压器副边漏感上的能量转移到功率开关S_5a结电容上，由于变压器上电压为零，因此不会引起输出周波变换器功率开关的电压过冲现象。

周期。

3.2 输出电压与滤波电感电流的定量表达式
由上述分析可知，稳态工作且输出滤波电感电流连续时，1个开关周期内2种等效电路，如图5所示。其中r为包括变压器绕阻电阻、漏抗、功率开关通态电阻、滤波电感寄生电阻等在内的等效电阻。

    在1个开关周期内输出电压u_o可看成恒定量, 图5(a)所示等效电路的状态方程为

式(6)、(7)中D为滤波器前端电压在1个开关周期内的占空比，即D=2T_com/T_s=(180^o-q)/ 180^o。
3.3 稳态时变换器外特性
       由式(7)可知，理想情形(r=0)且CCM时变换器的外特性为

由式(10)可知，当D=1/2时，I_G达到最大值，即

输出负载电流为

    实际情形(r≠0)时，变换器外特性可由式(6)表示。变换器标幺外特性U_o/(U_iN₂/N₁)=f(I_o/I_omax)，如图6所示。曲线A为临界CCM时外特性曲线，由式(12)决定；曲线A右边为滤波电感电流CCM时外特性曲线，实线为理想情形时曲线，由式(8)决定，虚线为实际情形时曲线，由式(7)决定；曲线A左边为DCM时外特性曲线，由式(17)决定。

4 原理试验
       设计实例：输入电压U_i=220V±10%（50Hz），输出电压U_o=220V(50Hz)；开关频率F_s=50kHz；变压器匝比为N₁/N₂/N₂=14/18/18、磁芯选用铁氧体PM74；滤波电感L_f=0.15mH; C_f=4mF。
    这类变换器原理试验波形，如图7所示。
    试验结果表明：① 变压器原边绕组电压为单极性三态的高频交流电压波；② 输出周波变换器功率开关实现了ZVS开关; ③ 输出滤波器前端电压为单极性SPWM波，频谱特性好；④ 输出电压波形失真度低。试验结果与理论分析一致。

5 结论
   （1）单极性移相控制电压源高频交流环节AC/AC变换器具有高频电气隔离、电路拓扑简洁、两级功率变换、功率密度高、双向功率流、输出周波变换器实现了ZVS换流、输出滤波器前端电压为单极性SPWM波、音频噪声低等优点，与这类变换器双极性移相控制相比，该变换器输出频谱特性更优、输出滤波器更小、工程实现更容易；
   （2）在1个开关周期内有12种工作模式；
   （3）获得了变换器外特性曲线以及关键电路参数设计准则；
   （4）原理试验结果与理论分析一致。

参考文献

[1] Neft C L，et al．Theory and design of a 30-hp matrix converter［J］．IEEE Trans. On IA, 1992, 28 (3) ：546-551.
[2] 陈道炼，李磊，胡育文 (Chen Daolian，Li Lei，Hu Yuwen, et al). 双极性移相控制电压源高频交流环节AC/AC变换器研究(Research on the bi-polarity phase-shifted controlled voltage mode AC/AC converters with high frequency AC link)[J].中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2002, 22(9)：69-73.
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