電壓源高頻交流環節AC AC變換器原理研究

摘要：首次提出了電壓源高頻交流環節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、輸出周波變換器構成。分析研究了這類變換器穩態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、網側電流波形可得到改善、負載適應能力強等優點。PSPICE仿真波形充分證實了這類變換器的正確性和先進性。關鍵詞：AC/AC變換器；高頻交流環節；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逆變器高頻環節變換技術[1]的研究，已取得了顯著的成果；對AC/AC變換技術的研究僅限于交流負載與交流電網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有高頻電氣隔離的基于Forward變換器的電壓源高頻交流環節AC/AC變換器，對電力電子學的發展和實現新型電子變壓器、正弦交流穩壓器均具有重要意義。

2電壓源高頻交流環節AC/AC變換器電路

拓撲族與控制原理

2．1電路結構與拓撲族

基于Forward變換器的電壓源高頻交流環節AC/AC變換器電路結構，如圖1(a)所示。該電路結構由輸入周波變換器、高頻變壓器、輸出周波變換器構成，能夠將一種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(能承受雙向電壓應力和雙向電流應力)構成。電壓源高頻交流環節AC/AC變換器電路拓撲族共8種，如圖1(b)～(i)所示。

圖1電壓源高頻交流環節AC/AC變換器電路結構與拓撲族

2．2控制原理

電壓源高頻交流環節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)電路結構

(b)單正激式(c)并聯交錯正激式

(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S1(S1′)與S2(S2′)、S3(S3′)與S4(S4′)的驅動信號為互補的高頻方波信號，但S3(S3′)與S1(S1′)、S4(S4′)與S2(S2′)之間的驅動信號均有相位差θ(0≤θ≤180°)。圖2中，Ts=1/fs為開關周期，fs為開關頻率，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電壓源高頻交流環節AC/AC變換器穩態

原理與外特性

3.1穩態原理

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

圖2電壓源高頻交流環節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節AC/AC變換器及其CCM模式時開關狀態電路