陳道煉，陳艷慧

(福州大學(xué)電力電子與電力傳動研究所，福建 福州 350108）

三類高頻鏈AC-AC變換器比較研究

陳道煉，陳艷慧

(福州大學(xué)電力電子與電力傳動研究所，福建 福州 350108）

本文對Buck、Boost、Buck-Boost型三類高頻鏈 AC-AC變換器的電路結(jié)構(gòu)與拓撲、控制策略、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、負載短路時的可靠性、輸出容量、高頻變壓器磁化狀態(tài)和原理試驗結(jié)果等進行了深入的比較研究，獲得了重要結(jié)論。高頻鏈 AC-AC變換器電路結(jié)構(gòu)，是由輸入濾波器、儲能電感(Boost型）、輸入周波變換器、高頻變壓器或高頻儲能式變壓器、輸出周波變換器、輸出濾波器依序級聯(lián)而成。研究結(jié)果表明，三類高頻鏈AC-AC變換器具有不同的特點、工程實現(xiàn)難易性和應(yīng)用場合，為實現(xiàn)新型的正弦交流穩(wěn)壓器、交流調(diào)壓器、電子變壓器和同頻波形變換器等奠定了關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。

AC-AC變換器;高頻鏈;Buck型;Boost型;Buck-Boost型;性能比較

1 引言

人們對DC-DC、DC-AC變換技術(shù)進行了大量的研究，并取得了豐碩的研究成果，如高頻電氣隔離型Buck、Boost、Buck-Boost 直流變換器和 Buck、Buck-Boost型高頻鏈逆變器均是人們所熟悉的電能變換器［1，2］。

然而，人們對 AC-AC變換技術(shù)的研究，主要局限于晶閘管相控變頻器、直接矩陣變換器和間接矩陣變換器等非電氣隔離型 AC-AC 變換器［3，4］、PWM交流斬波器和低頻鏈 AC-AC變換器等［5］。實現(xiàn)輸出與輸入電氣隔離的高頻鏈AC-AC變換器，是近年來研究探索的課題。

本文對構(gòu)成三類高頻鏈AC-AC變換器的關(guān)鍵技術(shù)進行了深入比較研究，獲得了重要結(jié)論。

2 電路結(jié)構(gòu)與拓撲

Buck、Boost、Buck-Boost型高頻鏈 AC-AC 變換器電路結(jié)構(gòu)與拓撲實例，如圖1所示。該電路結(jié)構(gòu)是由LC輸入濾波器、儲能電感(Boost型）、輸入周波變換器、高頻變壓器(Buck與Boost型）或高頻儲能式變壓器(Buck-Boost型）、輸出周波變換器、LC輸出濾波器(Buck型）或 C輸出濾波器(Boost與Buck-Boost型）依序級聯(lián)而成，具有高頻電氣隔離、兩級功率變換(LFAC-HFAC-LFAC）、雙向功率流、能將一種不穩(wěn)定畸變的交流電變換成同頻穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)正弦交流電等特點。

比較表明，Buck、Boost型變換器有同樣簡潔且互為對偶的電路結(jié)構(gòu)與拓撲，僅用來實現(xiàn)同頻ACAC變換;Buck-Boost型變換器不但有更加簡潔的電路結(jié)構(gòu)與拓撲，而且可以用來實現(xiàn)同頻和變頻ACAC變換。

3 控制策略

3.1 Buck型

Buck型高頻鏈 AC-AC變換器，采用具有輸出周波變換器換流重疊、輸入電網(wǎng)電壓極性選擇、輸出周波變換器在前級輸出電壓為零期間進行開關(guān)轉(zhuǎn)換的單極性移相控制策略，如圖2(a）所示。單極性移相控制是指輸入周波變換器右橋臂相對左橋臂的移相，并且輸出濾波器的前端電壓為單極性PWM波。功率開關(guān) S′1a與 S1a、S2a與 S′2a的驅(qū)動信號之間有相位差 θ(0≤θ≤180°）。

3.2 Boost型

圖1 三類高頻鏈AC-AC變換器電路結(jié)構(gòu)與拓撲實例比較Fig.1 Comparison of circuit configurations and topologies in three kinds of AC-AC converters with high frequency link

Boost型高頻鏈 AC-AC變換器，采用具有輸入電網(wǎng)電壓極性選擇的電壓瞬時值移相控制策略，如圖2(b）所示。輸入周波變換器的四象限高頻功率開關(guān) S1(S′1）與 S2(S′2）驅(qū)動信號相差 180°且占空比大于0.5，在 Ts/2內(nèi)共同導(dǎo)通時間 Tcom=(Ts/2）·θ/180°，Ts為開關(guān)周期、θ為每對功率開關(guān)共同導(dǎo)通時間所對應(yīng)的角度。

3.3 Buck-Boost型

Buck-Boost型高頻鏈AC-AC變換器，采用具有輸入電網(wǎng)電壓極性和工作模式選擇的電壓瞬時值PWM控制策略，如圖2(c）所示。

比較表明:1）Buck型變換器具有高頻變壓器漏感能量和輸出濾波電感電流自然換流、輸出周波變換器ZVS開關(guān)、控制和工程實現(xiàn)難度適中等特點;2）Boost型變換器具有網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高、高頻變壓器漏感引起的關(guān)斷電壓尖峰嚴重、功率器件為硬開通、控制和工程實現(xiàn)難度大等特點;3）Buck-Boost型變換器具有拓撲簡潔、功率器件均為硬開通、控制和工程實現(xiàn)難度小等特點。

4 網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、負載短路時可靠性、輸出容量與高頻變壓器的磁化狀態(tài)

4.1 網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、負載短路時可靠性與輸出容量

三類高頻鏈AC-AC變換器的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、負載短路時可靠性與輸出容量比較，如表1所示。

表1 三類變換器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、負載短路時可靠性與容量比較Tab.1 Comparison of line power factor，reliability under load short-circuit，and capacity in three kinds of converters

Boost、Buck與 Buck-Boost型高頻鏈 AC-AC變換器在電感電流連續(xù)時輸入電流分別為連續(xù)(總的諧波畸變度THD?。?、斷續(xù)(THD大），分別對電網(wǎng)產(chǎn)生的電磁干擾小、大，相同輸入濾波器時Boost型變換器的輸入電流iL的畸變因數(shù){1/(1+THD2）1/2}將比Buck、Buck-Boost型大。相同輸入濾波器、輸出濾波器和負載功率因數(shù)時，三類變換器的相移因數(shù)是相同的，故Boost型高頻鏈AC-AC變換器的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)=畸變因數(shù)*相移因數(shù)將比Buck、Buck-Boost型高。

圖2 三類高頻鏈AC-AC變換器控制原理比較Fig.2 Comparison of control principle in three kinds of AC-AC converters with high frequency link

變換器原邊功率開關(guān)導(dǎo)通時的電流上升率分別為

式(1）中，ui、uo分別為變換器的輸入、輸出電壓，N1、N2分別為高頻變壓器的原、副邊匝數(shù)，Lf、L、L1分別為 Buck、Boost、Buck-Boost型變換器的輸出濾波電感、儲能電感和高頻儲能式變壓器原邊電感。由式(1）可知，Buck、Boost、Buck-Boost型變換器原邊開關(guān)導(dǎo)通時的電流上升率在負載短路、正常工作情況時分別是不同、部分相同、完全相同，故負載短路時可靠性從低到高的排序為 Buck、Boost、Buck-Boost型。

4.2 高頻變壓器的磁化狀態(tài)

磁芯向第一、三象限方向磁化分別用“⊕”、“?”表示，磁化方向不變用“0”表示，B0、Bm分別為t=0時的磁密和最大工作磁密。三類變換器在ui極性信號超前于驅(qū)動信號時的高頻變壓器磁化狀態(tài)，如圖3所示。圖3(c）中的等效感性模式，是指變換器輸出濾波電容與負載的等效阻抗呈感性。

圖3比較表明:1）Buck、Boost型變換器在每個開關(guān)周期內(nèi)磁芯為近似的對稱雙向磁化，而Buck-Boost型變換器在每個開關(guān)周期內(nèi)磁芯為嚴重的不對稱雙向磁化，只能近似磁復(fù)位;2）Buck、Boost、Buck-Boost型變換器在半個、半個或一個、一個輸入電壓周期內(nèi)不但能磁復(fù)位且雙向?qū)ΨQ磁化;3）Buck、Boost、Buck-Boost型變換器在輸入電壓、輸出電壓、iL21過零附近出現(xiàn)磁芯磁化方向相同情形，但未導(dǎo)致嚴重后果。

5 原理試驗結(jié)果比較

高頻鏈AC-AC變換器阻性滿載時的原理試驗波形，如圖4所示。圖4(a）與(b）、(c）與(d）、(e）與(f）分別 Buck、Boost、Buck-Boost型變換器的原理試驗波形。

圖3 三類高頻鏈AC-AC變換器高頻變壓器的磁化狀態(tài)Fig.3 Magnetizing state of high frequency transformer in three kinds of AC-AC converters with high frequency link

原理試驗表明，Buck-Boost型變換器的輸出波形質(zhì)量高于 Buck、Boost型，是因為 Buck、Boost型變換器的輸出電壓存在過零點畸變，而Buck-Boost變換器則不存在這種畸變;Buck-Boost型變換器的輸出電壓靜態(tài)精度低于 Buck、Boost型，是因為 Buck-Boost型變換器工作在DCM模式(內(nèi)阻大）;Boost型變換器的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高于 Buck、Buck-Boost型，是因為 Boost型變換器輸入側(cè)電流是連續(xù)的，而Buck和Buck-Boost型變換器的輸入側(cè)電流是斷續(xù)的;Buck、Boost和 Buck-Boost型變換器允許的輸入電壓變化范圍依序從小到大，這可以從其電壓傳輸比得到解釋。

圖4 三類高頻鏈AC-AC變換器原理試驗波形Fig.4 Principle test waveforms of three kinds of AC-AC converters with high frequency link

6 結(jié)論

(1）Buck、Boost型變換器每個開關(guān)周期內(nèi)磁芯為近似的對稱雙向磁化，而Buck-Boost型變換器每個開關(guān)周期內(nèi)磁芯為嚴重的不對稱雙向磁化，只能近似磁復(fù)位;Buck、Boost、Buck-Boost型變換器分別在半個、半個或一個、一個輸入電壓周期內(nèi)能磁復(fù)位且雙向?qū)ΨQ磁化;

(2）單極性移相控制Buck型變換器具有變壓器漏感能量和輸出濾波電感電流的自然換流、輸出周波變換器的 ZVS開關(guān)、輸出頻譜特性優(yōu)、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)較高、輸出電壓精度高、負載短路時可靠性低、控制和工程實現(xiàn)難度適中、適用于中大功率同頻變換場合等特點;

(3）電壓瞬時值移相控制Boost型高頻鏈ACAC變換器具有網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高、變換效率高、負載短路時可靠性較高、工程實現(xiàn)難度大、適用于中大功率同頻變換場合等特點。

(4）電壓瞬時值PWM控制Buck-Boost型高頻鏈AC-AC變換器具有電路拓撲最簡潔、輸入電壓范圍最寬、輸出波形質(zhì)量最高、負載短路時可靠性最高、工程實現(xiàn)難度小、適用于小功率同頻或變頻變換場合等特點。

References）:

［1］陳國呈 (Chen Guocheng）.PWM逆變技術(shù)及應(yīng)用(PWM inverter technologies and its application）［M］.北京:中國電力出版社 (Beijing:China Elec.Power Press），2007.

［2］陳道煉 (Chen Daolian）.靜止變流器 (Static inverters）［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 (Harbin:HIT Press），2004.

［3］Muhammad H Rashid.Power electronics─ Circuits，devices and applications［M］.Beijing:Posts＆ Telecom Press，2007.

［4］Kolar J W，Schafmeister F.Novel modulation schemes minimizing the switching losses of sparse matrix converters［A］.IEEE Conference of Industrial Electronics［C］.Roanoke，USA，2003.2085-2090.

［5］Shinyama T，Ueda A，Torii A.AC chopper using four switches［A］.Proc.Power Conversion Conference［C］.Osaka，Japan，2002.1056-1060.

Comparison study of three kinds of AC-AC converters with high frequency link

CHEN Dao-lian，CHEN Yan-hui
(Power Electronics＆ Drives Research Institute，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350108，China）

The circuit configuration and topology，control strategy，line power factor，reliability under load shortcircuit，output capacity，magnetizing state of the high frequency transformer are proposed，and principle test results of Buck，Boost and Buck-Boost mode AC-AC converters with high frequency link are comparatively investigated in this paper，and important conclusions are obtained.The circuit configurations of AC-AC converters with high frequency link are constituted in the order of input filter，storage inductance(Boost mode），input cycloconverter，high frequency transformer or high frequency storage transformer，output cycloconverter，and output filter respectively.Research results have demonstrated that the three kinds of AC-AC converters with high frequency link have different technological performance，difficulty of engineering realization，and application fields，and lay the key technical foundation on new type regulated sinusoidal AC power supply，AC regulators，electronic transformer and same frequency waveform conversion.

AC-AC converter;high frequency link;Buck mode;Boost mode;Buck-Boost mode;performance comparison

TM464

A

1003-3076(2010）02-0001-04

2009-07-04

國家自然科學(xué)基金資助項目 (50577031）

陳道煉 (1964-），男，福建籍，“閩江”學(xué)者特聘教授，博導(dǎo)，博士，主要從事電力電子學(xué)研究。

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