基于PWM交流调压电路的研究

摘要

随着科技的发展,电力变换技术在社会各行业中的应用越来越广泛,作为电力变换重要组成部分的交流-交流电压变换在电力系统设计、应用和制造行业中的作用也越来越重要,如工业加热、路灯照明节能、感应电机软启动等领域。目前交流.交流电压变换常采用变压器或者晶闸管相控调压器实现,但变压器一般体积较大、成本较高、触头不易维护,而晶闸管相控调压器则谐波含量较大、功率因数较低。此外,尽管变频器也可实现交流.交流电压变换,但由于需要进行两次变换,往往造成交流-交流变换的效率低下、成本过高。由此可见,为提高电能变换质量,对交流-交流调压变换的拓扑结构与控制策略进行研究具有现实意义。
　　 本文研究了一种新型交流-交流调压变换拓扑结构,采用绝缘栅极双极晶体管(IGBT)为主要器件实现交流.交流电压变换,对比分析了单周波控制和PI控制在交流调压电路中的应用。首先,综述了可控硅交流-交流变换器、交流-直流-交流型变换器和高频交流-交流变换器的调压方式及工作原理。研究了IGBT的开关特性和各相关参数对IGBT驱动的影响,设计了两个独立电源的驱动电路和硬件死区电路以实现互补开关的可靠驱动,并研制了相应硬件电路。其次,以交流调压电路的双向电子开关控制方式及电路动态模型为依据,选取了电路元器件的相关参数,并实现了单相交流调压变换与三相交流Cuk型调压变换。仿真结果表明,采用上述交流调压控制策略可实现有效调压。再次,为了得到稳定的输出电压,文中在对单周波控制和PI控制进行了理论分析的基础上,将上述控制策略应用于Buck型交流调压电路中,仿真结果表明,这两种控制策略都可为稳定调压电路的输出提供有效支持。此外,对比了两种控制策略的特点,在输入电压发生突变的情况下,单周波控制下的Buck型交流调压电路响应速度快于PI控制下的Buck型交流调压电路。当负载变化时PI控制的Buck型交流调压电路的响应速度与单周波控制的Buck型交流调压电路相当。最后,研制了输入19.3V、输出9V的小功率样机。实验结果表明,基于单周波控制的交流调压电路与基于PI控制的交流调压电路相比,电路较易实现,且输出电压的稳定性较好。此外,对比传统交流-交流电压变换电路可发现,本文的新型交流-交流电压变换电路具有成本小、谐波含量低、控制方便、可靠性高等优点。