单相电压型准阻抗源AC?AC变换器

摘 要： 为了克服传统AC?AC变换器的不足，提出一种新型的电压型准阻抗源AC?AC变换电路。研究了电路基本结构、工作原理，采用脉冲宽度调制（PWM）法对电路进行总体控制改变输出电压，给出了Matlab/Simulink下系统电路的仿真结果，最后在仿真的基础上利用TMS320F2812搭建了实验电路。实验结果验证了电路结构的可靠性和可行性。

关键词： 准阻抗源； 交流调压； 脉冲宽度调制； 电压型

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）14?0147?03

Quasi?Z?source AC?AC converter in single?phase voltage mode

FANG Xupeng， XU Yulin， CHEN Yao， LI Haoshu

（College of Electrical Engineering and Automation， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China）

Abstract： In order to overcome the shortcoming of the traditional AC?AC converter， a new quasi?Z?source AC?AC converter in voltage mode is proposed. In this paper， the fundamental structure and working principle of the circuit are studied， and the pulse width modulation （PWM） method is used for the entire control to change the output voltage. The simulation results of the system circuit based on Matlab/Simulink are given. On the basis of the simulation， the experimental circuit was established with TMS320F2812. The reliability and feasibility of the circuit are verified with experimental results.

Keywords： quasi?Z?source； AC voltage regulation； PWM； voltage mode

在传统阻抗源变换器理论不断成熟、逐步走向应用的基础上，准阻抗源变换器的出现是阻抗源变换器理论和拓扑的一个新的发展。准阻抗源变换器可以克服传统阻抗源变换器的某些缺陷，如在电压型电路中，阻抗源网络电容器电压过高[1]；在电流型电路中，阻抗源网络电感电流过大等。它既可以应用在逆变和整流功率变换，也可以用于直流斩波和交流调压场合[2]。在只需要对电压的大小进行变化的条件下，准阻抗源交流调压器是一个很好的选择。准阻抗源交流?交流变换器通过两组全控型开关和储能网络将输入、输出耦合起来，全控型开关器件的自关断能力大大提高了变流器的性能。通过脉冲宽度调制法（PWM）进行控制，运用在中小功率电路可以有体积小、效率高、滤波效果好等优点。此外准阻抗源调压网络比传统的升降压电路响应速度要更快，电压波动小，输出电能质量更好。

对提出的电压型准阻抗源AC?AC变换器的电路结构进行了总体的介绍，给出了其工作原理，并通过仿真和实验对理论分析进行了验证。

1 准阻抗源的电路结构和工作原理

准阻抗源AC?AC变换器电路拓扑如图1所示，该网络拓扑由对称的电感、电容器和可控双向开关将输入、输出连接起来，准阻抗源网络起到储能和滤波的作用，全控型开关由IGBT或电力MOSFET和反并联的二极管面对面串联起来组成双向开关[3?6]，通过对两组全控型开关进行脉冲宽度调制可以使电路工作在占空比D控制的方式下。

如图1所示的准阻抗源AC?AC变换电路的控制信号采用互补的PWM脉冲，一个开关周期内两组功率开关管互补导通，准阻抗源网络根据不同的占空比下电感和电容器储能的多少来控制输出电压的大小。因为开关频率fs远远大于输入电源的频率，所以对电路进行分析时输入电压可以看成直流[7?8]。准阻抗源AC?AC变换器根据电流方向的不同有5个工作状态。

工作状态1：如图2（a）所示，开关S1导通，S2关断，共有三个电压回路，输入电压vi和电容器C2给电感L1充电，电容器C1给电感L2充电，电感Lf给负载供电，此时有

工作状态2：如图2（b）所示，开关S1导通，S2关断，当在状态1下，[ILf]递减到零时电感Lf会由电容器Cf充电，电感电流方向将会发生反向递增，同样符合状态1下的电压关系式。

工作状态3：如图2（c）所示，开关S1关断，S2导通，此时如果[ILf]是反向电流，Lf会向准阻抗源网络反馈能量，此时电感L2给电容器C2充电，电感L1和Vi给电容器C1充电，同时vi，L1和L2给负载供电，电路的电压关系有：

工作状态4：如图2（d）所示，开关S1关断，S2导通，准阻抗源网络的工作状态同状态3，只不过此时[ILf]是正向的，vi和L1，L2给负载供电，阻抗源网络电感电流将递减。

工作状态5：如图2（e）所示，状态和工作状态4相同，网络电感电流递减到[ILf]时，网络电容器向负载供电，电压关系在S1关断，S2导通条件下仍然成立。

上述的5种工作状态，分别工作在开关互补的条件下，而且每种开关状态下回路电压关系相同，所以在输入电流连续的情况下电路的工作方式总体分为两种，也就是以状态1和状态4为基本模式的工作状态，这两种状态是一个周期的稳定状态[9?10]。

由上面对工作状态的分析，令D为S1开通的占空比，Ts为开关周期，S1导通时间为DTs，S2导通时间（1-D）・Ts，一个电源周期中电感L1和L2电压为零，结合式（1）、式（2）中开关状态下电压关系，有：

由上面等式可以得到

可以推出电容器电压和vi的关系：

一个电源周期内电感Lf电压平均值为零，有：

）

最后得到输入和输出的电压关系为：

2 仿真验证

在Matlab/Simulink下给出了系统仿真结果，仿真参数为L1=L2=150 μH，C1=C2=22 μF，Lf=1 mH，Cf=50 μF，R=10 Ω，fs=20 kHz，vi=24 V。分别给出了D=0.4和D=0.7参数下仿真的升压和降压波形和D发生变化时电压调整的过程，如图3～图5所示。

3 实验结果

按照仿真的结果搭建实验电路，控制电路部分采用TMS320F2812产生互补的PWM信号，驱动部分采用落木源KA962D驱动板，主电路全控开关选用SGH80

N60UFD Ultrafast IGBT，用示波器测得了在D=0.2和D=0.8时的升压和降压波形（红色输入，蓝色输出），如图7和图8所示。电路升压时波形如图7所示（输入、输出20 V/格）。

电路降压时波形如图8所示（输入10 V/格，输出5 V/格）。

实验结果验证了理论分析和计算机仿真结果的正确性。

4 结 论

本文提出了一种新型的基于准阻抗源思想的AC?AC变换电路，给出了其电路结构、工作原理和电压增益，并通过仿真和实验对理论分析进行了验证。

实验中给定了互补的PWM信号进行控制，其实当电路实行非互补控制时，如采用推挽式工作模式，占空比大于0.5或者小于0.5，准阻抗源电路还存在两种状态，即功率开关共态导通或共态关断，而本文未深入进行研究。同时，这种电路结构同样可以应用于直流?直流变换电路中，而且交换输入/输出位置，这种准阻抗源电路还可以实现功率流的双向流动，这些问题将在今后的论文中论述。

参考文献

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