摘 要： 為了克服傳統(tǒng)AC?AC變換器的不足，提出一種新型的電壓型準(zhǔn)阻抗源AC?AC變換電路。研究了電路基本結(jié)構(gòu)、工作原理，采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）法對(duì)電路進(jìn)行總體控制改變輸出電壓，給出了Matlab/Simulink下系統(tǒng)電路的仿真結(jié)果，最后在仿真的基礎(chǔ)上利用TMS320F2812搭建了實(shí)驗(yàn)電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了電路結(jié)構(gòu)的可靠性和可行性。

關(guān)鍵詞： 準(zhǔn)阻抗源； 交流調(diào)壓； 脈沖寬度調(diào)制； 電壓型

中圖分類(lèi)號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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

在傳統(tǒng)阻抗源變換器理論不斷成熟、逐步走向應(yīng)用的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)阻抗源變換器的出現(xiàn)是阻抗源變換器理論和拓?fù)涞囊粋€(gè)新的發(fā)展。準(zhǔn)阻抗源變換器可以克服傳統(tǒng)阻抗源變換器的某些缺陷，如在電壓型電路中，阻抗源網(wǎng)絡(luò)電容器電壓過(guò)高[1]；在電流型電路中，阻抗源網(wǎng)絡(luò)電感電流過(guò)大等。它既可以應(yīng)用在逆變和整流功率變換，也可以用于直流斬波和交流調(diào)壓場(chǎng)合[2]。在只需要對(duì)電壓的大小進(jìn)行變化的條件下，準(zhǔn)阻抗源交流調(diào)壓器是一個(gè)很好的選擇。準(zhǔn)阻抗源交流?交流變換器通過(guò)兩組全控型開(kāi)關(guān)和儲(chǔ)能網(wǎng)絡(luò)將輸入、輸出耦合起來(lái)，全控型開(kāi)關(guān)器件的自關(guān)斷能力大大提高了變流器的性能。通過(guò)脈沖寬度調(diào)制法（PWM）進(jìn)行控制，運(yùn)用在中小功率電路可以有體積小、效率高、濾波效果好等優(yōu)點(diǎn)。此外準(zhǔn)阻抗源調(diào)壓網(wǎng)絡(luò)比傳統(tǒng)的升降壓電路響應(yīng)速度要更快，電壓波動(dòng)小，輸出電能質(zhì)量更好。

對(duì)提出的電壓型準(zhǔn)阻抗源AC?AC變換器的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了總體的介紹，給出了其工作原理，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 準(zhǔn)阻抗源的電路結(jié)構(gòu)和工作原理

準(zhǔn)阻抗源AC?AC變換器電路拓?fù)淙鐖D1所示，該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆蓪?duì)稱(chēng)的電感、電容器和可控雙向開(kāi)關(guān)將輸入、輸出連接起來(lái)，準(zhǔn)阻抗源網(wǎng)絡(luò)起到儲(chǔ)能和濾波的作用，全控型開(kāi)關(guān)由IGBT或電力MOSFET和反并聯(lián)的二極管面對(duì)面串聯(lián)起來(lái)組成雙向開(kāi)關(guān)[3?6]，通過(guò)對(duì)兩組全控型開(kāi)關(guān)進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制可以使電路工作在占空比D控制的方式下。

如圖1所示的準(zhǔn)阻抗源AC?AC變換電路的控制信號(hào)采用互補(bǔ)的PWM脈沖，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)兩組功率開(kāi)關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，準(zhǔn)阻抗源網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同的占空比下電感和電容器儲(chǔ)能的多少來(lái)控制輸出電壓的大小。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)頻率fs遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輸入電源的頻率，所以對(duì)電路進(jìn)行分析時(shí)輸入電壓可以看成直流[7?8]。準(zhǔn)阻抗源AC?AC變換器根據(jù)電流方向的不同有5個(gè)工作狀態(tài)。

工作狀態(tài)1：如圖2（a）所示，開(kāi)關(guān)S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷，共有三個(gè)電壓回路，輸入電壓vi和電容器C2給電感L1充電，電容器C1給電感L2充電，電感Lf給負(fù)載供電，此時(shí)有

工作狀態(tài)2：如圖2（b）所示，開(kāi)關(guān)S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷，當(dāng)在狀態(tài)1下，[ILf]遞減到零時(shí)電感Lf會(huì)由電容器Cf充電，電感電流方向?qū)?huì)發(fā)生反向遞增，同樣符合狀態(tài)1下的電壓關(guān)系式。

工作狀態(tài)3：如圖2（c）所示，開(kāi)關(guān)S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通，此時(shí)如果[ILf]是反向電流，Lf會(huì)向準(zhǔn)阻抗源網(wǎng)絡(luò)反饋能量，此時(shí)電感L2給電容器C2充電，電感L1和Vi給電容器C1充電，同時(shí)vi，L1和L2給負(fù)載供電，電路的電壓關(guān)系有：

工作狀態(tài)4：如圖2（d）所示，開(kāi)關(guān)S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通，準(zhǔn)阻抗源網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)同狀態(tài)3，只不過(guò)此時(shí)[ILf]是正向的，vi和L1，L2給負(fù)載供電，阻抗源網(wǎng)絡(luò)電感電流將遞減。

工作狀態(tài)5：如圖2（e）所示，狀態(tài)和工作狀態(tài)4相同，網(wǎng)絡(luò)電感電流遞減到[ILf]時(shí)，網(wǎng)絡(luò)電容器向負(fù)載供電，電壓關(guān)系在S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通條件下仍然成立。

上述的5種工作狀態(tài)，分別工作在開(kāi)關(guān)互補(bǔ)的條件下，而且每種開(kāi)關(guān)狀態(tài)下回路電壓關(guān)系相同，所以在輸入電流連續(xù)的情況下電路的工作方式總體分為兩種，也就是以狀態(tài)1和狀態(tài)4為基本模式的工作狀態(tài)，這兩種狀態(tài)是一個(gè)周期的穩(wěn)定狀態(tài)[9?10]。

由上面對(duì)工作狀態(tài)的分析，令D為S1開(kāi)通的占空比，Ts為開(kāi)關(guān)周期，S1導(dǎo)通時(shí)間為DTs，S2導(dǎo)通時(shí)間（1-D）·Ts，一個(gè)電源周期中電感L1和L2電壓為零，結(jié)合式（1）、式（2）中開(kāi)關(guān)狀態(tài)下電壓關(guān)系，有：

由上面等式可以得到

可以推出電容器電壓和vi的關(guān)系：

一個(gè)電源周期內(nèi)電感Lf電壓平均值為零，有：

）

最后得到輸入和輸出的電壓關(guān)系為：

2 仿真驗(yàn)證

在Matlab/Simulink下給出了系統(tǒng)仿真結(jié)果，仿真參數(shù)為L(zhǎng)1=L2=150 μH，C1=C2=22 μF，Lf=1 mH，Cf=50 μF，R=10 Ω，fs=20 kHz，vi=24 V。分別給出了D=0.4和D=0.7參數(shù)下仿真的升壓和降壓波形和D發(fā)生變化時(shí)電壓調(diào)整的過(guò)程，如圖3～圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照仿真的結(jié)果搭建實(shí)驗(yàn)電路，控制電路部分采用TMS320F2812產(chǎn)生互補(bǔ)的PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)部分采用落木源KA962D驅(qū)動(dòng)板，主電路全控開(kāi)關(guān)選用SGH80

N60UFD Ultrafast IGBT，用示波器測(cè)得了在D=0.2和D=0.8時(shí)的升壓和降壓波形（紅色輸入，藍(lán)色輸出），如圖7和圖8所示。電路升壓時(shí)波形如圖7所示（輸入、輸出20 V/格）。

電路降壓時(shí)波形如圖8所示（輸入10 V/格，輸出5 V/格）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析和計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果的正確性。

4 結(jié) 論

本文提出了一種新型的基于準(zhǔn)阻抗源思想的AC?AC變換電路，給出了其電路結(jié)構(gòu)、工作原理和電壓增益，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)中給定了互補(bǔ)的PWM信號(hào)進(jìn)行控制，其實(shí)當(dāng)電路實(shí)行非互補(bǔ)控制時(shí)，如采用推挽式工作模式，占空比大于0.5或者小于0.5，準(zhǔn)阻抗源電路還存在兩種狀態(tài)，即功率開(kāi)關(guān)共態(tài)導(dǎo)通或共態(tài)關(guān)斷，而本文未深入進(jìn)行研究。同時(shí)，這種電路結(jié)構(gòu)同樣可以應(yīng)用于直流?直流變換電路中，而且交換輸入/輸出位置，這種準(zhǔn)阻抗源電路還可以實(shí)現(xiàn)功率流的雙向流動(dòng)，這些問(wèn)題將在今后的論文中論述。

參考文獻(xiàn)

[1] 彭方正，房緒鵬，顧斌，等.Z源變換器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，19（2）：47?51.

[2] 房緒鵬.單相電壓型Z源AC/AC變流器電路[J].電力電子技術(shù)，2006，40（6）：96?97.

[3] 蔡鵬，謝少軍.基于簡(jiǎn)單拓?fù)涞膯蜗嘟涣鹘祲鹤儞Q器研究[J].通信電源技術(shù)，2006，23（1）：5?8.

[4] SIWAKOTI Y P， BLAABJERG F， LOH P C， et al. High?voltage boost quasi?Z?source isolated DC/DC converter [J]. IET power electronics， 2014， 7（9）： 2387?2395.

[5] LIU H P， LIU P， ZHANG Y X. Design and digital implementation of voltage and current mode control for the quasi?Z?source converters [J]. IET power electronics， 2013， 6（5）： 990?998.

[6] PHAM C T， SHEN A， DZUNG P Q， et al. A comparison of control methods for Z?source inverter [J]. Energy and power engineering， 2012， 4（4）： 187?195.

[7] ZAKIS J， VINNIKOV D， ROASTO I， et al. Quasi?Z?source inverter based bi?directional DC/DC converter： analysis of experimental results [C]// Proceedings of 2011 7th International Conference?Workshop on Compatibility and Power Electronics （CPE）. Tallinn： IEEE， 2011： 394?399.

[8] ROASTO I， VINNIKOV D. New voltage mode control method for the quasi?Z?source?based isolated DC/DC converters [C]// Proceedings of 2012 IEEE International Conference on Industrial Technology. Athens： IEEE， 2012： 644?649.

[9] TAKIGUCHI T， KOIZUMI H. Quasi?Z?source DC?DC converter with voltage?lift technique [C]// Proceedings of 2013 39th IEEE Annual Conference on Industrial Electronics Society. Vienna： IEEE， 2013： 1191?1196.

[10] KAZERANI M. A direct AC/AC converter based on current?source converter modules [J]. IEEE transactions on power electronics， 2003， 18（5）： 1168?1175.