Buck型AC/AC交流变换器的设计与实现
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I研l究 l与I设I计 I B u c k 型 A C A C 交流变换器的设计与实现 De s i g n an d I mp l emen t a t i on o f Bu c k T y p e AC AC c on v er t e r Re s e a r c h a n d D es ig n 任永保 张友军 丁明昌 王阿敏 翁振明 1 苏州大学 机 电工程学院(江苏 苏州 2 1 5 0 2 1),2 南京航空航天大学 航空电源航空科技重点实验室(江苏 南京 2 1 0 0 1 6)Re n Y o n g b a o ,Z h a n g Y o u j u n ,Di n g Mi n g c h a n g ,Wa n g Ami n 1,We n g Z h e m n i n g 1 C o l l e g e o f Me c h a n i c a l&E l e c tr i c a l E n g i n e e r i n g,S o o c h o w U n i v e r s i t y(S u z h o u 2 1 5 0 2 1,C h i n a)2 Na n j i n g U n i v e r s i t y o f Ae r o n a u t i c s a n d As t r o n a u t i c s(Na n j i n g 2 1 0 0 1 6,C h i n a)摘 要:水文 细分析 J,B u c k AC,AC交流变换器的:作原删及其控制策略。通过对输入电E E 的f 7支 性判断拜结合输“。电压 放大信 龟载 波的 比较结粜,可确 定各开 关管的 作状态。对 B u c k型 A C AC交流 变换器进行 了仿真研究,并研制 了 臼 机,z J r I 给 r 仿 f|j 试验结果,真和试验结果验证了理论分析的正确性及控制策略的町仃性。关键词:交流变换 B u c k f)支 性 判断 控制策略 Ab s t r a c t:I n t h i s p a p e r,t h e o p e r a t i o n p r i n c i p l e a n d c o n t r o l s t r a t e g y o f Bu c k t y p e AC AC c o n v e e r we r e a n a l y z e d i n d e t a i l By r e c o g n i z i n g t h e p o l a r i t y o f i n p u t v o l t a g e,a n d c o mp a r i n g t h e C F F O r a mp l i fic a t i o n s i g n a l o f o u t p u t v o l t a g e wi t h t h e t r i a n g u l a r c a t t i e r,t h e o p e r a t i o n s t a t e o f s wi t c h e s a r e d e t e r mi n e d B u c k t y p e AC AC c o n v e r t e r wa s s i mu l a t e d a n d a p r o t o t y p e wa s d e s i g n e d T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s a n d e x p e r i me n t a l wa v e b i 1 1 1 s v c l i fi e d t h e c o r r e c t i o n o f t h e t h e o r y a n a l y s i s a n d t h e f e a s i b i l i t y o f t h e Bu c k t y p e AC AC c o n v e r t e r a n d i t s c o n t r o l s t r a t e g y Ke y wo r d s:AC AC Co n v e r t e r,Bu c k t y p e,P o l a r i t y r e c o g n i t i o n,Co n t r o l s t r a t e g y 【l l 1 分奖 T N 8 6 【义献怀 码 A 艾章编 号:1 5 6 1 0 3 4 9(2 0 1 0)0 4 0 0 2 5 0 5 1 引言 AC A C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 1、交 直 交变换器、电子变压器 M 、高频交流环节 AC AC交流变换器 6-7 、矩阵变换器 S l 和非隔 离的B u c k型、B u c k B o o s t 型 AC AC交流变换器。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:交 一 直 一 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 O 8 6 6;B u c k-B o o s t 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 电 源世 界2 0 1 0 0 4 I 2 5 I研1究 I与 l设l计 I Re s e a r c h a n d De s i g n 直接能量传递通路,从而变换效率不高,且输入输出相位相庞 在无需电气隔离的降压场合,B u c k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 B u c k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 B u c k型 A C A C交流变换器的电路结构,其 中 (、)和(、曲)为两对交流开关管,两者互补开通,开通时间分别为 D、(1-D)T s,其中D为占空比,为开关周期。假设输入电压 为理想正弦波,则:u in=U=s i n wt (1)U o=DU m s i n wt (2)其中 为输入电压幅值;O J=2 丌 为输入电压角频率;,为输入 电压频率。占空比D为常数,故输出电压 U。也是正 弦变化,其相位和输入电压 一致,但幅值不大于。图 1 B u c k型 AC AC交流变换器 输入 电压 U i n 和电感电流 的参考方向见图 1所示。根 据输入 电压 in和电感 电流 的极性不同,在一个输入电压 周期内,存在四种不同阶段:J in 0,i L f 0;U i n 0,t f 0;-in 0,t f 0;u i 0。(1)in 0,L f 0 开关管、恒通,。、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。开 通、关断 时,输入 电压通 过开 关管、电感 给电容 G和负载供电,如图2(a)所示;当开关管。断开、:开通时,电感电流 经、和负载、开关管 的反向二极管续流,和 共同向负载供电,如图2(b)所示。(2)0,0,i l l 0时的开关模态:(a)S 开通、。关断;(b)S 关断、。开通 i n 1 _ D(a)(b)图3 u I n 0,i l l 0时的开关模态:(a)。开通、关断;C o)S 。关断、开通 当开关管 开通、关断时,输入电压通过开关管。的反向二极管、电感 给电容 和负载供电,如图 3(a)所示;当开 关管 断开,:开通 时,电感 电流 经、开关管、和负载续流,和 共同向负载供电,如图 3(b)所示。一 一;。一 l研l究 l与 I设l计 (3)u 0,0 开关管、恒通,、2 高频互补开通,该阶段电 路两种开关模态如图4所示。D Ui n 1-D(a】(b)图4 U n 0,i L f 0时的开关模态:(a)。b 开通、关断;(b)S 关断,:开通 D 1 D(a)(b)图5“in 0时的开关模态:(a)开通、关断;(b)S 关断,开通 当开关管 开 通、关断 时,输入 电压通过开 关管 Re s e a r c h a n d De s ig n 、电感 给电容 和负载供电,如图4(a)所示;当开关管。断开,。开通时,电感电流 经 工 、开关管 b 的反向二 极管、和负载续流,和 共同向负载供电,如图4(b)所示。(4)i 0 开关管、。恒通,、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 开通、关断时,输入 电压通过开关管 的反向二极管、电感 给电容 G和负载供 电,如图 5(a)所示;当开关管 断开,开通时,电感电流 经 和负载、开关管 续流,和 G共同向负载供 电,如图5(b)所示。3 控制策略 B u c k型 A C AC交流变换器的控制框图如图 6所示。r 1 图6B u c k型AC AC交流变换器控制框图 -输出电压经反馈采样后,与基准输出电压信号 H。进行 比较,经 P I 调节后得到输出电压误差放大信号 U。,再与三角 波进行比较,得到高频 P WM 控制信号 反相后得到控 制信号 S N ;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,反相后得到信号 S N ;S p 、S N:分别 与、进行逻辑或调制,产生开关管。、的 控制信号K、b、。、b。4仿真与实验 为了验证 B u c k型 A C 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 u m=V;额定输出电压幅 值为 V;负载为 4 8 4 Q 的电阻(输出功率为 2 5 0w),开关采 用理想器件;输入电压频率 5 0 H z;开关频率为 5 0 k Hz;电 感 L f=5 0 0 H,电容=4 4“F。开 关 管、b 的 控 制 信 号、的仿真波形如图 7(a)所示。当输入电压大于零时,开关管、恒通,、。高频互补开通;当输入电压小于零时,开关管。、恒通,。b、:高频互补开通。图 7(b)为输入 电压 2 、输出电压 O。和交流开关管 的两端(即。、两 电源 世 界2 0 1 0 0 4 I 2 7 一 一 一 一 一 一 一 一 _ _ r;I研 l 究 I与 l 计 Re s e a r c h a n d De s i g n 管 D(漏极)-D(漏极)之间的)电压波形 H 。_ 。HsJ (b)图7 B u c k型 AC A C交流变换器的仿真波形:(a)控制信号 1 、b;(b)电压 2 、。及 s 2 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=2 2 0 V,额定输出电压有效值=l l 0 V。开关管采用 I R F P 4 6 0 A;输入电压频率为 5 0 H z;开关 频率为 4 5 k H z;电感 L f=5 0 0“H;电容 c 4 4 F。其实验波 形如图 8 所示。其中图8(a)为输入电压 和输出电压 U。的实 验波形,H。和 的相位相同;图8 0 o)为输入 电压 和交流 开关管 的两端电压波形 u。:,。:是以 为包络线的高频脉 冲序列。5结论 本文详细分析了B u c k型 AC A C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 2 8 l T h e Wo r l d o f P o w e r S u p p l y A p r 2 0 1 0 O O (a)t(5 a s 格)(b)图 8 B u c k型 A C AC交流变换器的实验波形:(a)输入电压 和输出电压 。;(b)输入 电压 和 的两端电压 u :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。参考文献 1】林渭勋 现代电力电子电路 M】杭州:浙江大学出版社,2 0 0 2 2】王兆安,黄俊 电力电子技术【M】北京:机械工业出版社,20 0 0 3 丁道宏 电力电子技术 M】北京:航空工业出版社,1 9 9 2 4 Mo o n s h i k Ka n g,P r a s a d N E n j e t i,I r a J P i t e 1 An a l y s i s a n d d e s i g n o f e l e c t r o n i c t r a n s f o r me r s f o r e l e c t r i c p o we r d i s t r i b u t i o n s y s t e m J I E E E T r a n s a c t i o n s o n P o we r E l e c t r o n i c s,1 9 9 9,1 4(6):1 1 3 3-1 1 4 1 5】H Kr i s h n a s wa mi,V Ra ma n a r a y a n a n Co n t r o l o f h i g h e q u e n c y AC l i n k e l e c tr o n i c t r a n s f o r me r J I E E P r o c e e d i n g s o f E l e c t r i c P o we r Ap p l i c a t i o n s,2 0 0 5,1 5 2(5):5 0 9 5 1 6 (下转第 4 3页)元 I 件 J 从 图 4可见,由于在 L E端 加 了2 2 0 0 p F的 电容,从而 保 障了 L E在 低 电平时具有较强 的抗干扰 能力,能够维持 7 4 HC 5 7 3的输出稳定,即AD8 4 0 2的数据输入信号稳定,从 而保障了直流电源的输出稳定。同时,从 Q 0输出端到 A D8 4 0 2:C S端亦有 1 0 0 0 p F电容,亦增强了CS信号的抗干扰能力。其他两个信号亦然。改进后 DS P 2 8 1 2对 AD8 4 0 2的控制时序图见图 5。图 5改进后对 AD8 4 0 2的控制时序图 4 使用数字电位器的注意事项(1)数字 电位器受制造工艺等因素的制约,其通频带受 限,利用它实现的 P GA高频频响特性不理想。(2)AD8 4 0 2 A R的滑动臂控制是通过 S P I 总线来实现的。S P I 总线具有信号线少、协议简单、传输速度快的特点;但 S P I 接口工作的时候,没有应答信号,并且数据在发送的时候 无需校验位。所以,要求主从器件的软件必须完全符合 S P I 的 时序要求,否则数据传输很容易出现错误。(3)AD8 4 0 2 A R的 C S、R S、S HD N管脚都应当接上拉 电 阻,在未有数据写入时,保持其高电平状态;否则,数字 电 位器不能正常工作。(4)在使用 AD8 4 0 2时,还应注意的是它 的R DA C各端 子不能使用负 电压。所以在设置偏置电压时,不能将负电压 VS S直接接在 B端或 A、w 端上,那样数字电位器可能不会 正常工作。5 结语 改进设计方案后的直流 电源 已经得到了很广泛的应用,且还可以利用 c a n总 线等通讯手段 实现对直流 电源的远端 调 节。高精度、高稳定性、高寿命的数字 电位器 AD8 0 2 为直流 电源的数 字化、信息化、模块化提供 了广阔的应用 前 景。参考 文献 1】赵涛,张恩旭 一种新型数字 电位器及应用 J 安徽大学 学报(自然科学版),1 9 9 9,2 3(3):7 4 7 7 2 美国An a l o g D e v i c e s 公司 1 9 9 7年产品手册 M】3】刘辰霞,傅雨田 基于数字电位器 AD8 4 0 2的程控增益系 统 J】科学技术与工程,2 0 0 7,7(1):1 4 5 8 1 4 6 1 作者介绍 孟祥适,男,工程师,硕士研究生,主要研究型号电源设计。赵哲,女,助理工程师,硕士研究生,主要研究型号电源 设 计。徐雪峰,男,助理工程师,硕士研究生,主要研究型号电 源设计。髯,I,t,I,I 毋,I,|,l,I ,I 毋,|,t,I,I ,|,|,毫 毋,毫 ,t,I ,巨,I,I,I,I,I,I,l,I,l,I,I,I,l,l,l,I,I,l,I,I 乒(上接第2 8页)6 C h e n Da o l i a n,L i L e i,L i n S h e n g y a n g,S o n g C h e n g No v e l c u r r e n t m o d e AC AC c o n v e r t e r s wi t h h i g h e q u e n c y AC l i n k c P r o c e e d i n g s o f 5 t h I n t e ma t i o n a l C o n f e r e n c e o n P o w e r E l e c t r o n i c s a n d D r i v e r S y s t e ms(P E DS)I E E E,2 0 0 3:1 6 2-1 6 6 7】C h e n Da o l i a n,L i L e i B i p o l a r i t y p h a s e s h i ft e d c o n t r o l l e d v o l t a g e m o d e AC AC c o n v e r t e r s wi t h h i g h fre q u e n c y a c l i n k C P r o c e e d i n g s o f I E E E 3 4 t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n P o w e r E l e c t r o n i c s S p e c i a l i s t s C o n f e r e n c e(P E S C)I E E E,2 003:67 7 6 82 8 MAp a p,J C C l a r e,P W Wh e e l e r,K J Br a d An a l y s i s a n d c o mp a r i s i o n o f A C A C ma t r i x c o n v e r t e r c o n tr o l s tr a t e g i e s C P r o c e e d i n g s 0 f I E E E 3 4 t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c o n P o w e r E!e c t r o n i c S p e c i a l i s t s C o n f e r e n c e(P E S C)I E E E,2 o o 3:1 2 8 7 1 2 9 2 9】B H Kwo n,B D Mi n,J H Ki m No v e l t o p o l o g i e s o f AC c h o p p e r J】I E E P r o c e e d i n g s o f E l e c t r i c P o we r Ap p l i c a t i o n s,1 9 9 6,1 4 3(4):3 2 3 3 3 0 作 者简介 任 永保(1 9 8 4 一)男,安徽舒城人,硕 士研 究生,研 究 方向为电力 电子 变换及其控 制技 术。张友军(1 9 7 0 一)男,安徽祁门人,副教授,博士研究生,研究方向为电力电子变换及其控制技术。电 源世 界2 0 1 0 0 4 I 4 3
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