AC-AC变换器特性与应用研究
2006-04-29 17:21:39
来源：《国际电子变压器》2006年5月刊
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1引言
在各种电力电子开关变换器中，DC/DC变换器研究最为完善，其应用也最为广泛；AC/DC变换器（功率因数校正器）和DC/AC变换器（逆变器）则是在DC/DC变换器理论基础上，为了配合绿色电网的建设和不同设备对电源的需求而发展起来的，研究也相对成熟。
相比较而言，由于受到器件发展水平的限制，人们对AC/AC变换器对其研究起步晚又不够深入[2-5]。随着近年来快速、大容量、高耐压的IGBT等开关器件和高性能DSP等数字芯片的不断推出，为实现高性能的AC/AC变换器提供了基础条件；而目前全世界范围内对建设智能、高效环保型电网的强烈需求也为其发展展开了一片广阔的应用前景。
2 AC/AC变换器的构成
AC/AC变换器实际上是以DC/DC变换器为基础，采用四象限开关代替原来的单象限（二极管）或双象限（MOSFET等）半导体功率开关而构成的。
图1（a）为理想的四象限开关，给定开通信号后可导通双向电流，给定关断信号后则可阻断双向电压。目前，单体的四象限半导体功率开关器件仍在研制之中，如美国弗吉尼亚大学电力电子中心李泽元教授领导的研究小组正在做这方面的研究。而在实际应用中，所用的四象限开关则是用可控单象限功率开关与二极管组合而成的模块式器件，如图1(b)、(c)、(d)为三种常用的结构形式。
用四象限模块开关直接替代基本的DC/DC变换器中的半导体开关器件，即可构成基本的AC/AC变换器。如Buck、Boost、Buck-boost等。这里以AC/AC Busk变换器为主要研究对象进行探讨。
图2(a)给出了AC/AC Buck变换器主电路结构。其中的开关模块采用两个带反并二极管的IGBT背靠背连接，相当于图1(c)的结构。这种结构与其它两种结构相比，所用分立元件最少，损耗最小，驱动电路也最简洁，因此最适用于单相AC/AC变换器。图2(b)为其简化电路。
3 AC/AC Buck变换器特性分析
设图2中互补导通的四象限开关S1、S2具有理想的开关特性，其占空比分别为D和（1-D）。因为S2可导通双向电流，所以这种变换器不再像DC/DC Buck变换器那样在小负载下存在不连续导通模式，而是当输出电感电流iL0通过S2b、D2a（μi>0时）或S2a、D2b（μi<0时）续流，其值减小到0后继续通过C0、L0、S2a、D2b（μi>0时）或C0、L0、S2b、D2a（μi<0时）回路反向增加。
由此可列写系统状态平均方程（不考虑输入滤波参数为Li、Ci）为：
(1)
考虑到开关频率fs远大于工频，可以为稳态下每个开关周期内电感L0安秒平衡、电容伏秒平衡，即：
(2)
设输入为μi(t)＝Uimaxsin(ωit)。将(2)式代入(1)式，可得：
(3)
图3(a)给出了输入440Vac、占空比为0.5、负载较轻时的仿真波形；图3(b)为其在4ms附近的放大图。图中可以看到轻载时输出电感电流在每个开关周期内都是正负双向流动的。
为进一步验证上述分析的正确性，设计了220Vac输入，110Vac输出（占空比为0.5）的AC/AC Buck变换器。图4为其主要波形。实验结果与仿真相吻合。
由此可见，上述AC/AC Buck变换器可实现输入与输出电压的同频率、同相位、变换比［D∈（0，1）］可控的交/交降压变换。按上述方法，其它基本的DC/DC变换器（如Boost、Buck-boost、Cuke等）也可以变化为相应的AC/AC变换器，在此不作详细讨论。
4四象限功率开关的软换流
实际的半导体开关还可能达到理想的开关特性。图2中的两上四象限开关在相互切换过程中采用四步软换流策略，可以防止输出电感在开关切换过程中出现突然断路而产生的电压尖峰，省去了缓冲电路，提高了系统的效率和可靠性。
四步软换流策略的基本原则就是防止电容的突然短路和电感的突然断路。具体到图2所示电路，就是在开关切换过程中，对S1a、S1b、S2a、S2b的导通和关断时序分别进行恰当的控制，既要防止电容Ci的突然断路，又要防止电感L0突然断路。图5为系统实现软换流的开关时序图。
当μi>0时，设初始状态为续流管S2导通，换流开始时，第一步开启S1b，第二步关闭S2a，第三步开启S1a，第四步关闭S2b，电流由续流管S2换流到主开关管S1。在这一过程中，电流iL0的方向有两种可能：①正向，流经S2b、D2a，输出电感储能释放给负载（重载情况），换流发生在第三步；②负向，流经S2a、D2b，输出电容C0向电感L0反向充电（轻载或能量反向流动情况、参见图3(b)），换流则发生在第二步。下次需要换流时，四步依次为：开启S2b-关闭S1a-开启S2a-关闭S1b，电流iL0又由主开关管S1换流到续流管S2，根据负载情况、能量流动方向和电路参数的不同，电感电流iL0或正或负，换流分别发生在第二步或第三步。这种换流时序既可以保证电流通路，又有阻止电压短路。
相似的，当μi<0时，S2续流管向S1主开关管的换流过程为：开启S1a-关闭S2b-开启S1b-关闭S2a。而S1主开关管向S2续流管的换流过程则为：开启S2a-关闭S1b-开启S2b-关才S1a。
5能量的双向流动
AC/AC Buck 变换器加上负反馈后就可构成输出电压情理定的稳定系统。当负载端有外来电流（如电动机制动）注入时，输出电容上电压将瞬时升高，通过控制回路导致占空比D减小，电感电流的反向流动时间增加至大于正向导通时间，能量则从负载端反向流入电流端。
实际上，从负载端到电源端看，原系统变成一个前馈控制的AC/AC Boost变换器（参见图2），这时，开关切换的四步换流时序不变。所以，对于AC/AC变换器，输入到输出的Buck变换与输出到输入的Boost变换是一致的，这使得系统很轻易的实现能量的双向流动，应用在负载向网侧回馈能量的情形，如配电变压器。
6隔离式AC/AC变换器
与隔离式DC/DC变换器相似，通过半桥、全桥、全波等电路的不同组合，可构成多种不同的隔离式AC/AC变换器。
图6给出了一种移相控制双桥AC/AC变换器主电路图。高频变压器初（次）级桥式电路的上下桥臂互补导通，通过控制初级与次级桥式电路的开关信号间的移相角θ来控制输出电压幅值。其电压变换方程和电路特性同上述AC/AC Buck变换器相似。
7 AC/AC变换器的应用举例
7.1电力电子型交流调压器
交流调压器是大学、研究所、公司研发中心等科研机构的实验实中常用的实验设备，用以对市电进行隔离和幅值变换，为科研提供与电网隔离的，具有特写幅值的工频电压。
传统的调压器是采用工频磁耦合技术制成的，所用的磁性器件较为笨重；手动调节负边匝数来得到所要的电压值，功能单一，开环结构难以实现输出电压的精确控制。
采用如图6所示的移相全桥AC/AC变换器可制成便携式智能实验室用交流调压器。高频磁路设计实现了输入输出的电气隔离，大大提高了装置的功率密度；调节占空比可得到需要的输出电压，闭环控制可以使该输出电压精准；数字控制技术的应用还可对输出进行编程，实现输出电压延时、跳变，输出功率实时显示及控制，过载和故障保护等复杂功能，为使用者提供高性价比的实验设备。
7.2电力电子配电变压器
传统的工频变压器具有实现输入/输出电气隔离、电压变换等重要功能，具有工艺简单、运行可靠，转换效率高等优点，因此在电力配电系统中得到广泛应用。
但是，这种变压器的缺点也十分明显[4]，已经越来越不适应现代电力系统对高性能、智能化、环保型电力设备的迫切需求。
基于AC/AC变换器的电力电子配电变压器将是传统工频配电变压器非常理想的替代品，它将具有更高的功率密度，易实现轻小型化；闭环控制使系统具有良好的负载特性；数字控制系统可实现诸如过载、故障保护，实时数据显示等多种智能功能；不使用矿物油，更有利于环保等。
图7给出了电力电子配电变压器的构造示意图。由于配电变压器的输入电压级别（10k以上）较目前单个IGBT能够承受的反向（一般低于1200V）电压高，所以，在构造电力电子变压器时应采用原边多级串联结构（简单起见，图7仅给出了原边两级串联示意图，实际应用时应在10级以上串联）。正因为输入级电压级别较高，输入电流相应较小（如10kV/220V，10kVA的变压器输入电流峰值还不足2A），所以图7采用输入端半桥调制，这样既能节约成本，简化设计，又能利用半桥电路所固有的抗不平衡特性，使系统更为可靠。输出端采用全桥结构以输出较高的电流，必要时也可采用多个全桥并联以提高输出能力。
8结束语
本文以AC/AC Buck变换器为主要研究对象，详细分析了其工作原理，通过仿真和实验验证了理论分析的正确性。这种变换器不再有电流不连续模式，将有利于闭环控制系统在宽负载范围内的稳定；指出四象限开关的四步软换流策略可以保证系统效率和可靠性，分析了AC/AC Busk变换器能量双向流动的机理和特点，介绍了隔离式AC/AC变换器的构成，以此为基础提出构造新型轻便、多功能、智能型的电力电子交流调压器和电力电子配电变压器的方案。
参考文献
[1]R.W.Erickson:“Fundamentals of Power Electronics”.
[2]Ronan， E.R. Sudhoff，S.D.Glover.S.F.Galloway，D.L.“A power electronic-based distribution transformer”;Power Delivery ，IEEE Transactions on，Volume:17，Issue:2，April 2002;pp537-543.
[3]Kang，M.;Enjeti，P.N.;Pitel，I.J.:“Analysis and design of electronic transformers for electric power distribution system”;Power Electronics IEEE Transactions on，Vol.14，Issue:6，Nov.1999;pp:1133-1141
[4]Manjrekar，M.D.，Kieferndorf，R.Venkataramanan，G.“Power electronic transformers for utility applications”；Industry Applications Conference，2000.Conference Record of the 2000 IEEE，Volume:4，8-12 Oct.2000;pp2496-2502 Vol.4
[5]Prakash， S.R.N.，Hui，S.Y.R.Vijaykumar，B.;A direct AC/AC bi-directional power converter with high-frequency link and simple PWM control;Power Electronics and Drive Systems，1997.Proceedings.，1997 International Conference on，Volume:2，26-29 May 1997 pp:869-875 vol.2
在各种电力电子开关变换器中，DC/DC变换器研究最为完善，其应用也最为广泛；AC/DC变换器（功率因数校正器）和DC/AC变换器（逆变器）则是在DC/DC变换器理论基础上，为了配合绿色电网的建设和不同设备对电源的需求而发展起来的，研究也相对成熟。
相比较而言，由于受到器件发展水平的限制，人们对AC/AC变换器对其研究起步晚又不够深入[2-5]。随着近年来快速、大容量、高耐压的IGBT等开关器件和高性能DSP等数字芯片的不断推出，为实现高性能的AC/AC变换器提供了基础条件；而目前全世界范围内对建设智能、高效环保型电网的强烈需求也为其发展展开了一片广阔的应用前景。
2 AC/AC变换器的构成
AC/AC变换器实际上是以DC/DC变换器为基础，采用四象限开关代替原来的单象限（二极管）或双象限（MOSFET等）半导体功率开关而构成的。
图1（a）为理想的四象限开关，给定开通信号后可导通双向电流，给定关断信号后则可阻断双向电压。目前，单体的四象限半导体功率开关器件仍在研制之中，如美国弗吉尼亚大学电力电子中心李泽元教授领导的研究小组正在做这方面的研究。而在实际应用中，所用的四象限开关则是用可控单象限功率开关与二极管组合而成的模块式器件，如图1(b)、(c)、(d)为三种常用的结构形式。
用四象限模块开关直接替代基本的DC/DC变换器中的半导体开关器件，即可构成基本的AC/AC变换器。如Buck、Boost、Buck-boost等。这里以AC/AC Busk变换器为主要研究对象进行探讨。
图2(a)给出了AC/AC Buck变换器主电路结构。其中的开关模块采用两个带反并二极管的IGBT背靠背连接，相当于图1(c)的结构。这种结构与其它两种结构相比，所用分立元件最少，损耗最小，驱动电路也最简洁，因此最适用于单相AC/AC变换器。图2(b)为其简化电路。
3 AC/AC Buck变换器特性分析
设图2中互补导通的四象限开关S1、S2具有理想的开关特性，其占空比分别为D和（1-D）。因为S2可导通双向电流，所以这种变换器不再像DC/DC Buck变换器那样在小负载下存在不连续导通模式，而是当输出电感电流iL0通过S2b、D2a（μi>0时）或S2a、D2b（μi<0时）续流，其值减小到0后继续通过C0、L0、S2a、D2b（μi>0时）或C0、L0、S2b、D2a（μi<0时）回路反向增加。
由此可列写系统状态平均方程（不考虑输入滤波参数为Li、Ci）为：
(1)
考虑到开关频率fs远大于工频，可以为稳态下每个开关周期内电感L0安秒平衡、电容伏秒平衡，即：
(2)
设输入为μi(t)＝Uimaxsin(ωit)。将(2)式代入(1)式，可得：
(3)
图3(a)给出了输入440Vac、占空比为0.5、负载较轻时的仿真波形；图3(b)为其在4ms附近的放大图。图中可以看到轻载时输出电感电流在每个开关周期内都是正负双向流动的。
为进一步验证上述分析的正确性，设计了220Vac输入，110Vac输出（占空比为0.5）的AC/AC Buck变换器。图4为其主要波形。实验结果与仿真相吻合。
由此可见，上述AC/AC Buck变换器可实现输入与输出电压的同频率、同相位、变换比［D∈（0，1）］可控的交/交降压变换。按上述方法，其它基本的DC/DC变换器（如Boost、Buck-boost、Cuke等）也可以变化为相应的AC/AC变换器，在此不作详细讨论。
4四象限功率开关的软换流
实际的半导体开关还可能达到理想的开关特性。图2中的两上四象限开关在相互切换过程中采用四步软换流策略，可以防止输出电感在开关切换过程中出现突然断路而产生的电压尖峰，省去了缓冲电路，提高了系统的效率和可靠性。
四步软换流策略的基本原则就是防止电容的突然短路和电感的突然断路。具体到图2所示电路，就是在开关切换过程中，对S1a、S1b、S2a、S2b的导通和关断时序分别进行恰当的控制，既要防止电容Ci的突然断路，又要防止电感L0突然断路。图5为系统实现软换流的开关时序图。
当μi>0时，设初始状态为续流管S2导通，换流开始时，第一步开启S1b，第二步关闭S2a，第三步开启S1a，第四步关闭S2b，电流由续流管S2换流到主开关管S1。在这一过程中，电流iL0的方向有两种可能：①正向，流经S2b、D2a，输出电感储能释放给负载（重载情况），换流发生在第三步；②负向，流经S2a、D2b，输出电容C0向电感L0反向充电（轻载或能量反向流动情况、参见图3(b)），换流则发生在第二步。下次需要换流时，四步依次为：开启S2b-关闭S1a-开启S2a-关闭S1b，电流iL0又由主开关管S1换流到续流管S2，根据负载情况、能量流动方向和电路参数的不同，电感电流iL0或正或负，换流分别发生在第二步或第三步。这种换流时序既可以保证电流通路，又有阻止电压短路。
相似的，当μi<0时，S2续流管向S1主开关管的换流过程为：开启S1a-关闭S2b-开启S1b-关闭S2a。而S1主开关管向S2续流管的换流过程则为：开启S2a-关闭S1b-开启S2b-关才S1a。
5能量的双向流动
AC/AC Buck 变换器加上负反馈后就可构成输出电压情理定的稳定系统。当负载端有外来电流（如电动机制动）注入时，输出电容上电压将瞬时升高，通过控制回路导致占空比D减小，电感电流的反向流动时间增加至大于正向导通时间，能量则从负载端反向流入电流端。
实际上，从负载端到电源端看，原系统变成一个前馈控制的AC/AC Boost变换器（参见图2），这时，开关切换的四步换流时序不变。所以，对于AC/AC变换器，输入到输出的Buck变换与输出到输入的Boost变换是一致的，这使得系统很轻易的实现能量的双向流动，应用在负载向网侧回馈能量的情形，如配电变压器。
6隔离式AC/AC变换器
与隔离式DC/DC变换器相似，通过半桥、全桥、全波等电路的不同组合，可构成多种不同的隔离式AC/AC变换器。
图6给出了一种移相控制双桥AC/AC变换器主电路图。高频变压器初（次）级桥式电路的上下桥臂互补导通，通过控制初级与次级桥式电路的开关信号间的移相角θ来控制输出电压幅值。其电压变换方程和电路特性同上述AC/AC Buck变换器相似。
7 AC/AC变换器的应用举例
7.1电力电子型交流调压器
交流调压器是大学、研究所、公司研发中心等科研机构的实验实中常用的实验设备，用以对市电进行隔离和幅值变换，为科研提供与电网隔离的，具有特写幅值的工频电压。
传统的调压器是采用工频磁耦合技术制成的，所用的磁性器件较为笨重；手动调节负边匝数来得到所要的电压值，功能单一，开环结构难以实现输出电压的精确控制。
采用如图6所示的移相全桥AC/AC变换器可制成便携式智能实验室用交流调压器。高频磁路设计实现了输入输出的电气隔离，大大提高了装置的功率密度；调节占空比可得到需要的输出电压，闭环控制可以使该输出电压精准；数字控制技术的应用还可对输出进行编程，实现输出电压延时、跳变，输出功率实时显示及控制，过载和故障保护等复杂功能，为使用者提供高性价比的实验设备。
7.2电力电子配电变压器
传统的工频变压器具有实现输入/输出电气隔离、电压变换等重要功能，具有工艺简单、运行可靠，转换效率高等优点，因此在电力配电系统中得到广泛应用。
但是，这种变压器的缺点也十分明显[4]，已经越来越不适应现代电力系统对高性能、智能化、环保型电力设备的迫切需求。
基于AC/AC变换器的电力电子配电变压器将是传统工频配电变压器非常理想的替代品，它将具有更高的功率密度，易实现轻小型化；闭环控制使系统具有良好的负载特性；数字控制系统可实现诸如过载、故障保护，实时数据显示等多种智能功能；不使用矿物油，更有利于环保等。
图7给出了电力电子配电变压器的构造示意图。由于配电变压器的输入电压级别（10k以上）较目前单个IGBT能够承受的反向（一般低于1200V）电压高，所以，在构造电力电子变压器时应采用原边多级串联结构（简单起见，图7仅给出了原边两级串联示意图，实际应用时应在10级以上串联）。正因为输入级电压级别较高，输入电流相应较小（如10kV/220V，10kVA的变压器输入电流峰值还不足2A），所以图7采用输入端半桥调制，这样既能节约成本，简化设计，又能利用半桥电路所固有的抗不平衡特性，使系统更为可靠。输出端采用全桥结构以输出较高的电流，必要时也可采用多个全桥并联以提高输出能力。
8结束语
本文以AC/AC Buck变换器为主要研究对象，详细分析了其工作原理，通过仿真和实验验证了理论分析的正确性。这种变换器不再有电流不连续模式，将有利于闭环控制系统在宽负载范围内的稳定；指出四象限开关的四步软换流策略可以保证系统效率和可靠性，分析了AC/AC Busk变换器能量双向流动的机理和特点，介绍了隔离式AC/AC变换器的构成，以此为基础提出构造新型轻便、多功能、智能型的电力电子交流调压器和电力电子配电变压器的方案。
参考文献
[1]R.W.Erickson:“Fundamentals of Power Electronics”.
[2]Ronan， E.R. Sudhoff，S.D.Glover.S.F.Galloway，D.L.“A power electronic-based distribution transformer”;Power Delivery ，IEEE Transactions on，Volume:17，Issue:2，April 2002;pp537-543.
[3]Kang，M.;Enjeti，P.N.;Pitel，I.J.:“Analysis and design of electronic transformers for electric power distribution system”;Power Electronics IEEE Transactions on，Vol.14，Issue:6，Nov.1999;pp:1133-1141
[4]Manjrekar，M.D.，Kieferndorf，R.Venkataramanan，G.“Power electronic transformers for utility applications”；Industry Applications Conference，2000.Conference Record of the 2000 IEEE，Volume:4，8-12 Oct.2000;pp2496-2502 Vol.4
[5]Prakash， S.R.N.，Hui，S.Y.R.Vijaykumar，B.;A direct AC/AC bi-directional power converter with high-frequency link and simple PWM control;Power Electronics and Drive Systems，1997.Proceedings.，1997 International Conference on，Volume:2，26-29 May 1997 pp:869-875 vol.2
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