基于简单拓扑的单相直接AC/AC变换器研究

摘要

基于DC-DC拓扑、通过双向化功率开关实现直接AC/AC变换，是近年来AC/AC功率变换技术研究的热点。本文介绍了基于直流Buck、Boost和Cuk电路，采用单有源四象限开关实现功率双向化的直接AC/AC变换拓扑族，该拓扑族中的单、三相变换电路均只使用两个功率开关，可实现波形优良的同频AC/AC四象限变换，具有电路结构简单、控制简便、可实现小型化等优点。本文以这一扑族中的两种基本单相变换电路AC_Buck和AC_Cuk为对象，对基于简单拓扑的单相直接AC/AC变换器进行了全面的研究。 本文首先分析了AC_Buck变换器的变换原理，得出了电路参数设计准则；继而对电路实现的难点即功率管换流问题进行了深入分析，并得出了一种可行的解决方案即RCD换流方案；作为对简单拓扑单相直接AC/AC变换器控制策略的探索，本文以AC_Buck为平台，对电压单闭环瞬时值控制方案进行了研究，在理论分析和仿真研究的基础上设计并制作了一台采用RCD换流、电压单闭环瞬时值控制的AC_Buck变换器原理样机。仿真和实验结果表明，RCD换流方案有效地解决了变换器的功率管换流问题，采用电压单闭环瞬时值控制能够实现波形优良的四象限AC/AC变换，对电源和负载扰动均具有很强的抵制能力和良好的动态特性，但不足之处是采用该控制方案存在轻微程度的输出电压过零点畸变。 本文继而对AC_Cuk变换器进行了全面研究，分析了其变换原理，得出了电路参数设计准则；通过理论分析和仿真研究，验证了RCD换流方案同样能够解决AC_Cuk的功率管换流问题；论文同时对具有两电感耦合的AC_Cuk变换器进行了理论和仿真分析，验证了AC_Cuk变换器通过输入和输出两电感间的耦合，可实现输入或输出电流零纹波；针对电压单闭环瞬时值控制存在的输出电压过零畸变这一不足之处，本文还以AC_Cuk为平台，将单周期控制方案作为优化控制策略进行了理论和仿真研究。研究结果表明，采用单周期控制的简单拓扑单相AC/AC变换器避免了输出电压过零畸变问题，并且这一控制方案对输入电压的波动具有更强的抵制能力和更快速的动态调节能力。