Buck型 AC/AC交流变换器的设计与实现

1 引言

AC/AC交流变换是把一种形式的交流电变换为另一种形式的交流电[1-2]，其中可用于降压变换的主要有工频变压器、相控交流调压电路[2-3]、交-直-交变换器、电子变压器[4-5]、高频交流环节AC/AC交流变换器[6-7]、矩阵变换器[8]和非隔离的Buck型、Buck-Boost型AC/AC交流变换器[9]。

工频变压器体积重量大，无稳压及调压功能；相控交流调压电路输入、输出含有严重的谐波分量，一般只适用于热或机械惯性较大的负载功率调整[3]；交-直-交变换器变换级数过多，其变换效率不高，且对电网谐波污染严重；电子变压器体积重量小，其开关器件数量众多，且同样没有稳压及调压功能；高频交流环节AC/AC交流变换器虽然可实现电气隔离，但拓扑结构及控制电路复杂，而且开关器件数量众多；矩阵变换器同样存在开关器件多、控制策略复杂的问题，并且其最大增益仅为0.866；Buck-Boost型AC/AC交流变换器能实现升降压功能，但其开关管电压应力高，输入输出之间无直接能量传递通路，从而变换效率不高，且输入输出相位相反；在无需电气隔离的降压场合，Buck型AC/AC交流变换器具有结构简单、容易控制等特点。本文详细分析了Buck型AC/AC交流变换器的工作原理及其控制策略，对其进行了仿真研究，并研制了一台原理样机，仿真及试验结果与理论分析一致。

2 电路结构与工作原理

图1为Buck型AC/AC交流变换器的电路结构，其中S1（S1a、S1b）和S2（S2a、S2b）为两对交流开关管，两者互补开通，开通时间分别为DTS、(1-D)TS，其中D为占空比，TS为开关周期。假设输入电压uin为理想正弦波，则：

其中Um为输入电压幅值；w=2pf，为输入电压角频率；f为输入电压频率。占空比D为常数，故输出电压uo也是正弦变化，其相位和输入电压uin一致，但幅值不大于Um。

输入电压uin和电感电流iLf的参考方向见图1所示。根据输入电压uin和电感电流iLf的极性不同，在一个输入电压周期内，存在四种不同阶段：uin >0, iLf >0；uin >0, iLf 0；uin 0, iLf0；uin 0, iLf >0。

(1) uin > 0, iLf > 0

开关管S1b、S2b恒通，S1a、S2a高频互补开通，该阶段电路两种开关模态如图2所示。(图中实线表示电流流经的路线，虚线表示电流未经过的路线，箭头表示电压、电流的实际方向；恒通的开关管省去，用直线代替。

当开关管S1a开通、S2a关断时，输入电压通过开关管S1a、电感Lf给电容Cf和负载供电，如图2(a)所示；当开关管S1a断开、S2a开通时，电感电流iLf经Lf、Cf和负载、开关管S2a的反向二极管续流，Lf和Cf共同向负载供电，如图2(b)所示。