單周控制的單相交流斬波調壓電路

1 引言

傳統上，交流電壓變換是通過變壓器的電磁感應實現的。當變壓器輸入電壓發生變化，其輸出電壓也要相應變化，有些電氣設備還需要利用交流穩壓器穩壓，在某些場合，負載電壓還要求能調節，這時宜用如自耦變壓器之類的可調變壓器。這些是大眾常用的方法。但是隨著現代社會的發展，地球資源的逐漸枯竭，為了實現人類社會的可持續發展，傳統的采用大量銅、鐵等貴金屬的變壓器將逐漸退出歷史舞臺，而由電力電子元件組成可調壓AC/AC變換器來代替，本文正是從這方面來進行探討。

過去曾經用雙向晶閘管的相控方法，來做恒頻下的降壓調節，由于晶閘管是半控元件，這樣的調節會造成很大的電壓畸變，產生諧波、消耗無功功率和功率因數變差，所以僅在一些功率較小的裝置上采用。

隨著功率半導體技術的發展，功率半導體器件廣泛應用于AC/AC變換器，主要有AC/DC/AC變換器、矩陣變換器、高頻鏈AC/AC變換器和基于DC/DC拓撲的直接AC/AC變換器。AC/DC/AC變換器適用于同時需要變頻、變壓的場合，變換級數及所用元件多，而且其整流濾波環節對電網污染嚴重；矩陣變換器可實現高輸入功率因數，但由于其開關數量多導致成本增高，同時它的控制策略也很復雜；高頻交流環節AC/AC變換器也存在著成本高，控制復雜等問題。

為實現AC/AC電壓變換，近年來人們己廣泛利用全控型電力電子開關進行斬波（PWM）控制硎迪[1，2]。

本文將對單相交流電壓，通過單周控制實現AC/AC直接變換的斬控式調壓進行研究，并且力圖用的開關數量少，結構簡單。

本文主要研究了在Buck電路上的AC/AC變換，它有調壓功能，但調壓范圍是低于輸入電壓。由于采用單周控制，它的動態性能好、在負荷變化時有一定的穩壓能力。所以說它兼有變壓、調壓、穩壓的功能，應該指出該電路的濾波部分仍需用到電感器和電器，亦即仍需消耗部分金屬資源，但由于斬波頻率遠遠高于工頻，體積、重量都不大。文中列出了串聯型和并聯型兩種拓撲結構的AC/AC變換電路，主要針對后一種電路作了Matlab/Simulink仿真，證明這類電路是可行的，值得進一步研究，以完善附加保護、限制功能，使之達到實用階段。

本文采用數字控制方法使變換器在一定的正弦輸入電壓范圍內都能輸出穩定的正弦電壓，其結構簡單，成本低廉，控制簡便，有著廣闊的發展前景。

2 拓撲結構與基本工作原理

單相AC/AC轉換電路的拓撲可有多種[1，2]，圖1為該變換器典型主電路的拓撲圖。(a)為串聯式，即在交流電壓正、負半波下，負荷電流到交流電源走同一支路。(b)為并聯式，即交流電壓正、負半波下，負荷電流到交流電源走不同支路。

串聯式電路工作，當電壓為交流正弦正半波，IGBT T1、T3工作，T2，T4被D2、D4旁路不工作。在正半波斬波期間，當T1開通時交流電壓輸出至負載，當T1關斷時，T3導通起著續流作用，輸至負載的電壓為零。D1-D4 為二極管，L與C 組成 濾波電路，R 是負載。T1，T3的控制信號是互補的，負載上電壓大小是靠每個開關周期T1導通的占空比來控制的。

圖1 單相AC/AC變換主電路：(a)串聯式，(b)并聯式