基于单相Boost型 AC/AC交流变换器的分析与实现

文章摘要：4 仿真与实验为了验证Boost型 AC/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：输入电压的有效值Uin=110 V，基准输出电压的有效值Uo_ref =220 V，开关管采用理想器件；输入电压频率为50 Hz；开关频率为50 kHz；电感Lf =500 μH，电容Cf =10 μF。开关管S1a、S1b、S2a、S2b的控制信号K1a、K1b、K2a、K2b的仿真波形如图8(a)所示；图8(b)中是交流开关管S1两端电压uS1、输入电压uin和输出电压uo的仿真波形，其中uo和uin相位相同，交流开关管S1两端的电压uS1

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4 仿真与实验

为了验证Boost型 AC/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：输入电压的有效值Uin=110 V，基准输出电压的有效值Uo_ref =220 V，开关管采用理想器件；输入电压频率为50 Hz；开关频率为50 kHz；电感Lf =500 μH，电容Cf =10 μF。

开关管S1a、S1b、S2a、S2b的控制信号K1a、K1b、K2a、K2b的仿真波形如图8(a)所示；图8(b)中是交流开关管S1两端电压uS1、输入电压uin和输出电压uo的仿真波形，其中uo和uin相位相同，交流开关管S1两端的电压uS1是以输出电压uo为包络线的高频脉冲序列。

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4.2实验波形

制作了一台实验原理样机，开关管采用MOSFET IRFP460PL，实验参数为：输入电压的有效值Uin=110 V，基准输出电压的有效值Uo_ref =220 V；输入电压频率为50 Hz；开关频率为23 kHz；电感Lf =900 ?H，电容Cf =4.4 ?F。实验波形如图9所示。

图9(a)为开关管控制信号K1a、K1b、K2a、K2b的实验波形；图9(b)为输出电压uo和交流开关管S1两端电压uS1的实验波形；图9(c)为输入电压uin和输出电压uo的实验波形。可见，输出电压uo和输入电压uin相位一致；交流开关管两端电压uS1是高频电压脉冲序列，其包络线为输出电压uo。

5 结论

单相Boost型AC/AC交流变换器可看成正反两个Boost型DC/DC直流变换器的组合，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，可确定各开关管的工作状态。该变换器具有结构简单、控制容易等优点。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。

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假设输入电压uin为理想正弦波，则：

其中Um为输入电压幅值；w=2pf，为输入电压角频率；f为输入电压频率。

输入电压uin和电感电流iLf的参考方向见图1所示。根据输入电压uin和电感电流iLf的极性不同，在一个输入电压周期内，存在四种不同工作阶段：uin >0, iLf >0；uin >0, iLf <0；uin <0, iLf<0；uin <0, iLf >0，如图2所示。

(1) uin > 0, iLf > 0

在[t0～t1] 时段内，uin>0, iLf >0。此时开关管S1b、S2b恒通，S1a、S2a高频互补开通，正向Boost型DC/DC直流变换器工作，其两种开关模态如图3所示。(图中回路框表示电感电流iLf流经的路线，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S1a开通、S2a关断时，电感电流iLf经电感Lf、交流开关管S1、输入电源uin流通，如图3(a)所示；当开关管S1a断开，S2a开通时，电感电流iLf经电感Lf、交流开关管S2、电容Cf和负载、输入电源uin流通，如图3(b)所示。

(2) uin > 0, iLf < 0

在[t1～t2]时段内，uin >0, iLf <0，此时开关管S1b、S2b恒通，S1a、S2a高频互补开通，正向Boost型DC/DC直流变换器工作，其两种开关模态如图4所示。

当开关管S1a开通、S2a关断时，电感电流iLf经电感Lf、输入电源uin、交流开关管S1流通，如图4(a)所示；当开关管S1a断开，S2a开通时，电感电流iLf经电感Lf、输入电源uin、电容Cf和负载、交流开关管S2流通，如图4(b)所示。

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