中心議題：

• Buck型AC/AC交流變換器的電路結構與工作原理
• Buck型AC/AC交流變換器的設計與實現

解決方案：

• Buck型AC/AC交流變換器的控制策略設計

1 引言

AC/AC交流變換是把一種形式的交流電變換為另一種形式的交流電，其中可用于降壓變換的主要有工頻變壓器、相控交流調壓電路、交-直-交變換器、電子變壓器、高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC交流變換器、矩陣變換器和非隔離的Buck型、Buck-Boost型AC/AC交流變換器。

工頻變壓器體積重量大，無穩(wěn)壓及調壓功能；相控交流調壓電路輸入、輸出含有嚴重的諧波分量，一般只適用于熱或機械慣性較大的負載功率調整[3]；交-直-交變換器變換級數過多，其變換效率不高，且對電網諧波污染嚴重；電子變壓器體積重量小，其開關器件數量眾多，且同樣沒有穩(wěn)壓及調壓功能；高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC交流變換器雖然可實現電氣隔離，但拓撲結構及控制電路復雜，而且開關器件數量眾多；矩陣變換器同樣存在開關器件多、控制策略復雜的問題，并且其最大增益僅為0.866；Buck-Boost型AC/AC交流變換器能實現升降壓功能，但其開關管電壓應力高，輸入輸出之間無直接能量傳遞通路，從而變換效率不高，且輸入輸出相位相反；在無需電氣隔離的降壓場合，Buck型AC/AC交流變換器具有結構簡單、容易控制等特點。本文詳細分析了Buck型AC/AC交流變換器的工作原理及其控制策略，對其進行了仿真研究，并研制了一臺原理樣機，仿真及試驗結果與理論分析一致。

2 電路結構與工作原理

圖1為Buck型AC/AC交流變換器的電路結構，其中S1（S1a、S1b）和S2（S2a、S2b）為兩對交流開關管，兩者互補開通，開通時間分別為DTS、(1-D)TS，其中D為占空比，TS為開關周期。假設輸入電壓uin為理想正弦波，則：

其中Um為輸入電壓幅值；w=2pf，為輸入電壓角頻率；f為輸入電壓頻率。占空比D為常數，故輸出電壓uo也是正弦變化，其相位和輸入電壓uin一致，但幅值不大于Um。

輸入電壓uin和電感電流iLf的參考方向見圖1所示。根據輸入電壓uin和電感電流iLf的極性不同，在一個輸入電壓周期內，存在四種不同階段：uin >0, iLf >0；uin >0, iLf <0；uin <0, iLf<0；uin <0, iLf >0。

(1) uin > 0, iLf > 0
開關管S1b、S2b恒通，S1a、S2a高頻互補開通，該階段電路兩種開關模態(tài)如圖2所示。(圖中實線表示電流流經的路線，虛線表示電流未經過的路線，箭頭表示電壓、電流的實際方向；恒通的開關管省去，用直線代替。

[page]
當開關管S1a開通、S2a關斷時，輸入電壓通過開關管S1a、電感Lf給電容Cf和負載供電，如圖2(a)所示；當開關管S1a斷開、S2a開通時，電感電流iLf經Lf、Cf和負載、開關管S2a的反向二極管續(xù)流，Lf和Cf共同向負載供電，如圖2(b)所示。

圖2 uin > 0, iLf > 0時的開關模態(tài)：
(a) S1a開通、S2a關斷；
(b) S1a關斷、S2a開通
   
(2)  uin > 0, iLf < 0 
開關管S1b、S2b恒通，S1a、S2a高頻互補開通，該階段電路兩種開關模態(tài)如圖3所示。

當開關管S1a開通、S2a關斷時，輸入電壓通過開關管S1a的反向二極管、電感Lf給電容Cf和負載供電，如圖3(a)所示；當開關管S1a斷開，S2a開通時，電感電流iLf經Lf、開關管S2a、Cf和負載續(xù)流，Lf和Cf共同向負載供電，如圖3(b)所示。

圖3 uin > 0, iLf< 0時的開關模態(tài)：
(a) S1a開通、S2a關斷；
(b) S1a關斷、S2a開通

(3) uin <0, iLf < 0 
開關管S1a、S2a恒通，S1b、S2b高頻互補開通，該階段電路兩種開關模態(tài)如圖4所示。

圖4 uin< 0, iLf < 0時的開關模態(tài)：
(a) S1b開通、S2b關斷；
(b) S1b關斷，S2b開通

當開關管S1b開通、S2b關斷時，輸入電壓通過開關管S1b、電感Lf給電容Cf和負載供電，如圖4(a)所示；當開關管S1b斷開，S2b開通時，電感電流iLf經Lf、開關管S2b的反向二極管、Cf和負載續(xù)流，Lf和Cf共同向負載供電，如圖4(b)所示。
[page]
(4) uin <0, iLf> 0 
開關管S1a、S2a恒通，S1b、S2b高頻互補開通，該階段電路兩種開關模態(tài)如圖5所示。

當開關管S1b開通、S2b關斷時，輸入電壓通過開關管S1b的反向二極管、電感Lf給電容Cf和負載供電，如圖5(a)所示；當開關管S1b斷開，S2b開通時，電感電流iLf經Lf、Cf和負載、開關管S2b續(xù)流，Lf和Cf共同向負載供電，如圖5(b)所示。

圖5 uin< 0, iLf > 0時的開關模態(tài)：
(a) S1b開通、S2b關斷；
(b) S1b關斷，S2b開通

3 控制策略

Buck型AC/AC交流變換器的控制框圖如圖6所示。

輸出電壓經反饋采樣后，與基準輸出電壓信號uo_ref進行比較，經PI調節(jié)后得到輸出電壓誤差放大信號ue，再與三角波進行比較，得到高頻PWM控制信號SP2，SP2反相后得到控制信號SN2；輸入電壓經采樣后，經過零比較器產生低頻的輸入電壓極性信號SP1，SP1反相后得到信號SN1；SP2、SN2分別與SP1、SN1 進行邏輯或調制，產生開關管S1a、S1b、S2a、S2b的控制信號K1a、K1b、K2a、K2b。

4仿真與實驗

為了驗證Buck型AC/AC交流變換器理論分析的正確性和控制策略的可行性，對該變換器進行了仿真與實驗研究。

4.1仿真波形
仿真參數如下：輸入電壓幅值額定輸出電壓幅值為負載為48.4 W的電阻(輸出功率為250 W)，開關采用理想器件；輸入電壓頻率f=50 Hz；開關頻率為50kHz；電感Lf =500μH，電容Cf =4.4μF。
[page]
開關管S1a、S1b、S2a、S2b的控制信號K1a、K1b、K2a、K2b的仿真波形如圖7(a)所示。當輸入電壓大于零時，開關管S1b、S2b恒通，S1a、S2a高頻互補開通；當輸入電壓小于零時，開關管S1a、S2a恒通，S1b、S2b高頻互補開通。圖7(b)為輸入電壓uin、輸出電壓uo和交流開關管S2的兩端（即S2a、S2b兩管D（漏極）-D（漏極）之間的）電壓波形uS2。

圖7 Buck型AC/AC交流變換器的仿真波形：
(a) 控制信號K1a、K1b、K2a、K2b ；
(b) 電壓uin、uo及uS2

4.2實驗波形
根據上述分析，本文設計了一臺原理樣機。樣機參數設置如下：輸入電壓有效值Uin =220V, 額定輸出電壓有效值Uo =110V。開關管采用IRFP460A；輸入電壓頻率為50Hz；開關頻率為45kHz；電感Lf=500μH；電容Cf=4.4μF。其實驗波形如圖8所示。其中圖8(a)為輸入電壓uin和輸出電壓uo的實驗波形，uo和uin的相位相同；圖8(b)為輸入電壓uin和交流開關管S2的兩端電壓波形uS2，uS2是以uin為包絡線的高頻脈沖序列。

圖8 Buck型AC/AC交流變換器的實驗波形：
(a) 輸入電壓uin和輸出電壓uo ；
(b) 輸入電壓uin和S2的兩端電壓uS2

5 結論

本文詳細分析了Buck型AC/AC交流變換器的工作原理及其控制策略。該變換器兩對交流開關管高頻互補開通，當占空比為常數時，其輸出電壓和輸入電壓的相位相同，但幅值不大于輸入電壓的幅值。通過對輸入電壓的極性判斷，并結合輸出電壓誤差放大信號與三角載波的比較結果，可確定各開關管的工作狀態(tài)。仿真和試驗結果驗證了理論分析的正確性及控制策略的可行性。