单周控制的单相交流斩波调压电路

1 引言

传统上，交流电压变换是通过变压器的电磁感应实现的。当变压器输入电压发生变化，其输出电压也要相应变化，有些电气设备还需要利用交流稳压器稳压，在某些场合，负载电压还要求能调节，这时宜用如自耦变压器之类的可调变压器。这些是大众常用的方法。但是随着现代社会的发展，地球资源的逐渐枯竭，为了实现人类社会的可持续发展，传统的采用大量铜、铁等贵金属的变压器将逐渐退出历史舞台，而由电力电子元件组成可调压AC/AC变换器来代替，本文正是从这方面来进行探讨。

过去曾经用双向晶闸管的相控方法，来做恒频下的降压调节，由于晶闸管是半控元件，这样的调节会造成很大的电压畸变，产生谐波、消耗无功功率和功率因数变差，所以仅在一些功率较小的装置上采用。

随着功率半导体技术的发展，功率半导体器件广泛应用于AC/AC变换器，主要有AC/DC/AC变换器、矩阵变换器、高频链AC/AC变换器和基于DC/DC拓扑的直接AC/AC变换器。AC/DC/AC变换器适用于同时需要变频、变压的场合，变换级数及所用元件多，而且其整流滤波环节对电网污染严重；矩阵变换器可实现高输入功率因数，但由于其开关数量多导致成本增高，同时它的控制策略也很复杂；高频交流环节AC/AC变换器也存在着成本高，控制复杂等问题。

为实现AC/AC电压变换，近年来人们己广泛利用全控型电力电子开关进行斩波（PWM）控制來实现[1，2]。

本文将对单相交流电压，通过单周控制实现AC/AC直接变换的斩控式调压进行研究，并且力图用的开关数量少，结构简单。

本文主要研究了在Buck电路上的AC/AC变换，它有调压功能，但调压范围是低于输入电压。由于采用单周控制，它的动态性能好、在负荷变化时有一定的稳压能力。所以说它兼有变压、调压、稳压的功能，应该指出该电路的滤波部分仍需用到电感器和电器，亦即仍需消耗部分金属资源，但由于斩波频率远远高于工频，体积、重量都不大。文中列出了串联型和并联型两种拓扑结构的AC/AC变换电路，主要针对后一种电路作了Matlab/Simulink仿真，证明这类电路是可行的，值得进一步研究，以完善附加保护、限制功能，使之达到实用阶段。

本文采用数字控制方法使变换器在一定的正弦输入电压范围内都能输出稳定的正弦电压，其结构简单，成本低廉，控制简便，有着广阔的发展前景。

2 拓扑结构与基本工作原理

单相AC/AC转换电路的拓扑可有多种[1，2]，图1为该变换器典型主电路的拓扑图。(a)为串联式，即在交流电压正、负半波下，负荷电流到交流电源走同一支路。(b)为并联式，即交流电压正、负半波下，负荷电流到交流电源走不同支路。

图1 单相AC/AC变换主电路：(a)串联式，(b)并联式 串联式电路工作，当电压为交流正弦正半波，IGBT T1、T3工作，T2，T4被D2、D4旁路不工作。在正半波斩波期间，当T1开通时交流电压输出至负载，当T1关断时，T3导通起着续流作用，输至负载的电压为零。D1-D4 为二极管，L与C 组成 滤波电路，R 是负载。T1，T3的控制信号是互补的，负载上电压大小是靠每个开关周期T1导通的占空比来控制的。 在正弦负半波时 T2、T4工作，T1、T3被D1，D3旁路不工作，当T2开通时交流负电压加于负载，T2关断时，T4导通起着续流作用输至负载的电压为零。这里T2，T4的控制信号是互补的。 并联式电路工作，当电压为交流正弦正半波时，T1、T3工作，T2，T4断开，其工作原理和串联式电路类似。图2为单相AC/AC变换的并联式电路中的开关管T1，T2，T3，T4 驱动信号。假定交流电压的周期为T，显然前T/2为正弦正半波，T1，T3互补开通，后T/2为正弦负半波，T2，T4互补开通，图2中画的开关频率是4/T。 图2 单相AC/AC变换并联式电路T1-T4开关管驱动信号 实际采用的开关频率较高，但过高，如未用软开关技术，将导致开关损耗加大，开关频率太低，使输出滤波器尺寸变大，输出电压正弦度差。一般来讲开关频率宜大于电源频率的20倍较好。 3 单周控制原理 产生上述驱动信号的方法有多种，本文采用单周控制[3，4，5]。在上世纪90年代初，由华人学者Keyue Smedley提出的基于Buck电路的单周控制(One-cycle control)方法，它是一种新型非线性大信号的脉宽调制(PWM)控制，该方法控制电路简单，用的元件少而成本低，动态响应快，也能保证静态要求，特别在负荷变化时有一定的稳压作用。 单周控制可分为4类：⑴恒频PWM；⑵恒导通时间；⑶恒截止时间；⑷变化开关周期。实际使用中是以恒频，即恒开关周期的控制用得较多，其它三类控制产生的开关周期的谐波比较难以消除。因此本文也采用恒开关周期的单周控制。