当开关管S1b导通,S2b断开时,电感电流iLf经电感Lf、输入电源uin、交流开关管S1流通,如图5(a)所示;当开关管S1b断开,S2b开通时,电感电流iLf经电感Lf、输入电源uin、电容Cf和负载、交流开关管S2流通,如图5(b)所示。
(4) uin< 0, iLf > 0
在[t3~t4]时段内,uin<0, iLf >0,此时开关管S1a、S2a恒通,S1b、S2b高频互补开通,反向Boost型DC/DC直流变换器工作,如图6所示。
当开关管S1b导通,S2b断开时,电感电流iLf经电感Lf、交流开关管S1、输入电源uin流通,如图6(a)所示;当开关管S1b功率电感器断开,S2b开通时,电感电流iLf经电感Lf、交流开关管S2、电容Cf和负载、输入电源uin流通,如图6(b)所示。
3 控制策略
通过对单相Boost型AC/AC交流变换器的工作原理的分析可知,无论电感电流方向如何,开关管的工作模态只与输入电压的极性有关。当uin > 0时,开关管S1b、S2b恒通,S1a、S2a高频互补开通, 正向Boost型DC/DC直流变换器工作;当uin < 0时,开关管S1a、S2a恒通,S1b、S2b高频互补开通,反向Boost型DC/DC直流变换器工作。由此可得单相Boost型AC/AC交流变换器的控制框图,如图7所示。
输入电压经采样后,由过零比较器得到输入电压uin的极性信号SP1,SP1反相得到信号SN1; 输出电压uo的反馈采样信号uo_f与基准输出电压uo_ref比较,经PI调节后得到电压误差信号ue,ue与三角波进行比较,得到高频PWM控制信号SP2,SP2反相后得到控制信号SN2; SP1、SN1分别与SP2、SN2进行逻辑或调制,得到开关管S1a、S1b、S2a、S2b的控制信号K1a、K1b、K2a、K2b。
4 仿真与实验
为了验证Boost型 AC/AC交流变换器理论分析的正确性和控制策略的可行性,对该变换器进行了仿真与实验研究。
4.1仿真波形
仿真参数如下:输入电压的有效值Uin=110 V,基准输出电压的有效值Uo_ref =220 V,开关管采用理想器件;输入电压频率为50 Hz;开关频率为50 kHz;电感Lf =500 μH,电容Cf =10 μF。
开关管S1a、S1b、S2a、S2b的控制信号K1a、K1b、K2a、K2b的仿真波形如图8(a)所示;图8(b)中是交流开关管S1两端电压uS1、输入电压uin和输出电压uo的仿真波形,其中uo和uin相位相同,交流开关管S1两端的电压uS1是以输出电压uo为包络线的高频脉冲序列。
4.2实验波形
制作了一台实验原理样机,开关管采用MOSFET IRFP460PL,实验参数为:输入电压的有效值Uin=110 V,基准输出电压的有效值Uo_ref =220共模电感器 V;输入电压频率为50 Hz;开关频率为23 kHz;电感Lf =900 ?H,电容Cf =4.4 ?F。实验波形如图9所示。
图9(a)为开关管控制信号K1a、K1b、K2a、K2b的实验波形;图9(b)为输出电压uo和交流开关管S1两端电压uS1的实验波形;图9(c)为输入电压uin和输出电压uo的实验波形。可见,输出电压uo和输入电压uin相位一致;交模压电感器流开关管两端电压uS1是高频电压脉冲序列,其包络线为输出电压uo。
5 结论
单相Boost型AC/AC交流变换器可看成正反两个Boost型DC/DC直流变换器的组合,通过对输入电压的极性判断,并结合输出电压误差放大信号与三角载波的比较结果,可确定各开关管的工作状态。该变换器具有结构简铁氧体电感单、控制容易等优点。仿真和试验结果验证了理论分析的正确性及控制策略的可行性。
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