Buck型AC/AC交流变换器的设计
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, ilf 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。
图2 uin > 0, ilf > 0时的开关模态：
(a) s1a开通、s2a关断;
(b) s1a关断、s2a开通
(2) uin > 0, ilf 0, ilf< 0时的开关模态：
(a) s1a开通、s2a关断;
(b) s1a关断、s2a开通
(3) uin <0, ilf < 0
开关管s1a、s2a恒通，s1b、s2b高频互补开通，该阶段电路两种开关模态如图4所示。
图4 uin< 0, ilf < 0时的开关模态：
(a) s1b开通、s2b关断;
(b) s1b关断，s2b开通
当开关管s1b开通、s2b关断时，输入电压通过开关管s1b、电感lf给电容cf和负载供电，如图4(a)所示;当开关管s1b断开，s2b开通时，电感电流ilf经lf、开关管s2b的反向二极管、cf和负载续流，lf和cf共同向负载供电，如图4(b)所示。
(4) uin 0
开关管s1a、s2a恒通，s1b、s2b高频互补开通，该阶段电路两种开关模态如图5所示。
当开关管s1b开通、s2b关断时，输入电压通过开关管s1b的反向二极管、电感lf给电容cf和负载供电，如图5(a)所示;当开关管s1b断开，s2b开通时，电感电流ilf经lf、cf和负载、开关管s2b续流，lf和cf共同向负载供电，如图5(b)所示。
图5 uin 0时的开关模态：
(a) s1b开通、s2b关断;
(b) s1b关断，s2b开通
3 控制策略
buck型ac/ac交流变换器的控制框图如图6所示。
输出电压经反馈采样后，与基准输出电压信号uo_ref进行比较，经pi调节后得到输出电压误差放大信号ue，再与三角波进行比较，得到高频pwm控制信号sp2，sp2反相后得到控制信号sn2;输入电压经采样后，经过零比较器产生低频的输入电压极性信号sp1，sp1反相后得到信号sn1;sp2、sn2分别与sp1、sn1 进行逻辑或调制，产生开关管s1a、s1b、s2a、s2b的控制信号k1a、k1b、k2a、k2b。
4仿真与实验
为了验证buck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：输入电压幅值额定输出电压幅值为负载为48.4 w的电阻(输出功率为250 w)，开关采用理想器件;输入电压频率f=50 hz;开关频率为50khz;电感lf =500μh，电容cf =4.4μf。
开关管s1a、s1b、s2a、s2b的控制信号k1a、k1b、k2a、k2b的仿真波形如图7(a)所示。当输入电压大于零时，开关管s1b、s2b恒通，s1a、s2a高频互补开通;当输入电压小于零时，开关管s1a、s2a恒通，s1b、s2b高频互补开通。图7(b)为输入电压uin、输出电压uo和交流开关管s2的两端(即s2a、s2b两管d(漏极)-d(漏极)之间的)电压波形us2。
图7 buck型ac/ac交流变换器的仿真波形：
(a) 控制信号k1a、k1b、k2a、k2b ;
(b) 电压uin、uo及us2
4.2实验波形
根据上述分析，本文设计了一台原理样机。样机参数设置如下：输入电压有效值uin =220v, 额定输出电压有效值uo =110v。开关管采用irfp460a;输入电压频率为50hz;开关频率为45khz;电感lf=500μh;电容cf=4.4μf。其实验波形如图8所示。其中图8(a)为输入电压uin和输出电压uo的实验波形，uo和uin的相位相同;图8(b)为输入电压uin和交流开关管s2的两端电压波形us2，us2是以uin为包络线的高频脉冲序列。
图8 buck型ac/ac交流变换器的实验波形：
(a) 输入电压uin和输出电压uo ;
(b) 输入电压uin和s2的两端电压us2
5 结论
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。该变换器两对交流开关管高频互补开通，当占空比为常数时，其输出电压和输入电压的相位相同，但幅值不大于输入电压的幅值。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。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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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, ilf 0, ilf > 0
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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。
图2 uin > 0, ilf > 0时的开关模态：
(a) s1a开通、s2a关断;
(b) s1a关断、s2a开通
(2) uin > 0, ilf 0, ilf< 0时的开关模态：
(a) s1a开通、s2a关断;
(b) s1a关断、s2a开通
(3) uin <0, ilf < 0
开关管s1a、s2a恒通，s1b、s2b高频互补开通，该阶段电路两种开关模态如图4所示。
图4 uin< 0, ilf < 0时的开关模态：
(a) s1b开通、s2b关断;
(b) s1b关断，s2b开通
当开关管s1b开通、s2b关断时，输入电压通过开关管s1b、电感lf给电容cf和负载供电，如图4(a)所示;当开关管s1b断开，s2b开通时，电感电流ilf经lf、开关管s2b的反向二极管、cf和负载续流，lf和cf共同向负载供电，如图4(b)所示。
(4) uin 0
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图5 uin 0时的开关模态：
(a) s1b开通、s2b关断;
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图7 buck型ac/ac交流变换器的仿真波形：
(a) 控制信号k1a、k1b、k2a、k2b ;
(b) 电压uin、uo及us2
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图8 buck型ac/ac交流变换器的实验波形：
(a) 输入电压uin和输出电压uo ;
(b) 输入电压uin和s2的两端电压us2
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