陈道炼，陈艳慧

(福州大学电力电子与电力传动研究所，福建 福州 350108）

三类高频链AC-AC变换器比较研究

陈道炼，陈艳慧

(福州大学电力电子与电力传动研究所，福建 福州 350108）

本文对Buck、Boost、Buck-Boost型三类高频链 AC-AC变换器的电路结构与拓扑、控制策略、网侧功率因数、负载短路时的可靠性、输出容量、高频变压器磁化状态和原理试验结果等进行了深入的比较研究，获得了重要结论。高频链 AC-AC变换器电路结构，是由输入滤波器、储能电感(Boost型）、输入周波变换器、高频变压器或高频储能式变压器、输出周波变换器、输出滤波器依序级联而成。研究结果表明，三类高频链AC-AC变换器具有不同的特点、工程实现难易性和应用场合，为实现新型的正弦交流稳压器、交流调压器、电子变压器和同频波形变换器等奠定了关键技术基础。

AC-AC变换器;高频链;Buck型;Boost型;Buck-Boost型;性能比较

1 引言

人们对DC-DC、DC-AC变换技术进行了大量的研究，并取得了丰硕的研究成果，如高频电气隔离型Buck、Boost、Buck-Boost 直流变换器和 Buck、Buck-Boost型高频链逆变器均是人们所熟悉的电能变换器［1，2］。

然而，人们对 AC-AC变换技术的研究，主要局限于晶闸管相控变频器、直接矩阵变换器和间接矩阵变换器等非电气隔离型 AC-AC 变换器［3，4］、PWM交流斩波器和低频链 AC-AC变换器等［5］。实现输出与输入电气隔离的高频链AC-AC变换器，是近年来研究探索的课题。

本文对构成三类高频链AC-AC变换器的关键技术进行了深入比较研究，获得了重要结论。

2 电路结构与拓扑

Buck、Boost、Buck-Boost型高频链 AC-AC 变换器电路结构与拓扑实例，如图1所示。该电路结构是由LC输入滤波器、储能电感(Boost型）、输入周波变换器、高频变压器(Buck与Boost型）或高频储能式变压器(Buck-Boost型）、输出周波变换器、LC输出滤波器(Buck型）或 C输出滤波器(Boost与Buck-Boost型）依序级联而成，具有高频电气隔离、两级功率变换(LFAC-HFAC-LFAC）、双向功率流、能将一种不稳定畸变的交流电变换成同频稳定的优质正弦交流电等特点。

比较表明，Buck、Boost型变换器有同样简洁且互为对偶的电路结构与拓扑，仅用来实现同频ACAC变换;Buck-Boost型变换器不但有更加简洁的电路结构与拓扑，而且可以用来实现同频和变频ACAC变换。

3 控制策略

3.1 Buck型

Buck型高频链 AC-AC变换器，采用具有输出周波变换器换流重叠、输入电网电压极性选择、输出周波变换器在前级输出电压为零期间进行开关转换的单极性移相控制策略，如图2(a）所示。单极性移相控制是指输入周波变换器右桥臂相对左桥臂的移相，并且输出滤波器的前端电压为单极性PWM波。功率开关 S′1a与 S1a、S2a与 S′2a的驱动信号之间有相位差 θ(0≤θ≤180°）。

3.2 Boost型

图1 三类高频链AC-AC变换器电路结构与拓扑实例比较Fig.1 Comparison of circuit configurations and topologies in three kinds of AC-AC converters with high frequency link

Boost型高频链 AC-AC变换器，采用具有输入电网电压极性选择的电压瞬时值移相控制策略，如图2(b）所示。输入周波变换器的四象限高频功率开关 S1(S′1）与 S2(S′2）驱动信号相差 180°且占空比大于0.5，在 Ts/2内共同导通时间 Tcom=(Ts/2）·θ/180°，Ts为开关周期、θ为每对功率开关共同导通时间所对应的角度。

3.3 Buck-Boost型

Buck-Boost型高频链AC-AC变换器，采用具有输入电网电压极性和工作模式选择的电压瞬时值PWM控制策略，如图2(c）所示。

比较表明:1）Buck型变换器具有高频变压器漏感能量和输出滤波电感电流自然换流、输出周波变换器ZVS开关、控制和工程实现难度适中等特点;2）Boost型变换器具有网侧功率因数高、高频变压器漏感引起的关断电压尖峰严重、功率器件为硬开通、控制和工程实现难度大等特点;3）Buck-Boost型变换器具有拓扑简洁、功率器件均为硬开通、控制和工程实现难度小等特点。

4 网侧功率因数、负载短路时可靠性、输出容量与高频变压器的磁化状态

4.1 网侧功率因数、负载短路时可靠性与输出容量

三类高频链AC-AC变换器的网侧功率因数、负载短路时可靠性与输出容量比较，如表1所示。

表1 三类变换器网侧功率因数、负载短路时可靠性与容量比较Tab.1 Comparison of line power factor，reliability under load short-circuit，and capacity in three kinds of converters

Boost、Buck与 Buck-Boost型高频链 AC-AC变换器在电感电流连续时输入电流分别为连续(总的谐波畸变度THD小）、断续(THD大），分别对电网产生的电磁干扰小、大，相同输入滤波器时Boost型变换器的输入电流iL的畸变因数{1/(1+THD2）1/2}将比Buck、Buck-Boost型大。相同输入滤波器、输出滤波器和负载功率因数时，三类变换器的相移因数是相同的，故Boost型高频链AC-AC变换器的网侧功率因数=畸变因数*相移因数将比Buck、Buck-Boost型高。

图2 三类高频链AC-AC变换器控制原理比较Fig.2 Comparison of control principle in three kinds of AC-AC converters with high frequency link

变换器原边功率开关导通时的电流上升率分别为

式(1）中，ui、uo分别为变换器的输入、输出电压，N1、N2分别为高频变压器的原、副边匝数，Lf、L、L1分别为 Buck、Boost、Buck-Boost型变换器的输出滤波电感、储能电感和高频储能式变压器原边电感。由式(1）可知，Buck、Boost、Buck-Boost型变换器原边开关导通时的电流上升率在负载短路、正常工作情况时分别是不同、部分相同、完全相同，故负载短路时可靠性从低到高的排序为 Buck、Boost、Buck-Boost型。

4.2 高频变压器的磁化状态

磁芯向第一、三象限方向磁化分别用“⊕”、“⊖”表示，磁化方向不变用“0”表示，B0、Bm分别为t=0时的磁密和最大工作磁密。三类变换器在ui极性信号超前于驱动信号时的高频变压器磁化状态，如图3所示。图3(c）中的等效感性模式，是指变换器输出滤波电容与负载的等效阻抗呈感性。

图3比较表明:1）Buck、Boost型变换器在每个开关周期内磁芯为近似的对称双向磁化，而Buck-Boost型变换器在每个开关周期内磁芯为严重的不对称双向磁化，只能近似磁复位;2）Buck、Boost、Buck-Boost型变换器在半个、半个或一个、一个输入电压周期内不但能磁复位且双向对称磁化;3）Buck、Boost、Buck-Boost型变换器在输入电压、输出电压、iL21过零附近出现磁芯磁化方向相同情形，但未导致严重后果。

5 原理试验结果比较

高频链AC-AC变换器阻性满载时的原理试验波形，如图4所示。图4(a）与(b）、(c）与(d）、(e）与(f）分别 Buck、Boost、Buck-Boost型变换器的原理试验波形。

图3 三类高频链AC-AC变换器高频变压器的磁化状态Fig.3 Magnetizing state of high frequency transformer in three kinds of AC-AC converters with high frequency link

原理试验表明，Buck-Boost型变换器的输出波形质量高于 Buck、Boost型，是因为 Buck、Boost型变换器的输出电压存在过零点畸变，而Buck-Boost变换器则不存在这种畸变;Buck-Boost型变换器的输出电压静态精度低于 Buck、Boost型，是因为 Buck-Boost型变换器工作在DCM模式(内阻大）;Boost型变换器的网侧功率因数高于 Buck、Buck-Boost型，是因为 Boost型变换器输入侧电流是连续的，而Buck和Buck-Boost型变换器的输入侧电流是断续的;Buck、Boost和 Buck-Boost型变换器允许的输入电压变化范围依序从小到大，这可以从其电压传输比得到解释。

图4 三类高频链AC-AC变换器原理试验波形Fig.4 Principle test waveforms of three kinds of AC-AC converters with high frequency link

6 结论

(1）Buck、Boost型变换器每个开关周期内磁芯为近似的对称双向磁化，而Buck-Boost型变换器每个开关周期内磁芯为严重的不对称双向磁化，只能近似磁复位;Buck、Boost、Buck-Boost型变换器分别在半个、半个或一个、一个输入电压周期内能磁复位且双向对称磁化;

(2）单极性移相控制Buck型变换器具有变压器漏感能量和输出滤波电感电流的自然换流、输出周波变换器的 ZVS开关、输出频谱特性优、网侧功率因数较高、输出电压精度高、负载短路时可靠性低、控制和工程实现难度适中、适用于中大功率同频变换场合等特点;

(3）电压瞬时值移相控制Boost型高频链ACAC变换器具有网侧功率因数高、变换效率高、负载短路时可靠性较高、工程实现难度大、适用于中大功率同频变换场合等特点。

(4）电压瞬时值PWM控制Buck-Boost型高频链AC-AC变换器具有电路拓扑最简洁、输入电压范围最宽、输出波形质量最高、负载短路时可靠性最高、工程实现难度小、适用于小功率同频或变频变换场合等特点。

References）:

［1］陈国呈 (Chen Guocheng）.PWM逆变技术及应用(PWM inverter technologies and its application）［M］.北京:中国电力出版社 (Beijing:China Elec.Power Press），2007.

［2］陈道炼 (Chen Daolian）.静止变流器 (Static inverters）［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社 (Harbin:HIT Press），2004.

［3］Muhammad H Rashid.Power electronics─ Circuits，devices and applications［M］.Beijing:Posts＆ Telecom Press，2007.

［4］Kolar J W，Schafmeister F.Novel modulation schemes minimizing the switching losses of sparse matrix converters［A］.IEEE Conference of Industrial Electronics［C］.Roanoke，USA，2003.2085-2090.

［5］Shinyama T，Ueda A，Torii A.AC chopper using four switches［A］.Proc.Power Conversion Conference［C］.Osaka，Japan，2002.1056-1060.

Comparison study of three kinds of AC-AC converters with high frequency link

CHEN Dao-lian，CHEN Yan-hui
(Power Electronics＆ Drives Research Institute，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China）

The circuit configuration and topology，control strategy，line power factor，reliability under load shortcircuit，output capacity，magnetizing state of the high frequency transformer are proposed，and principle test results of Buck，Boost and Buck-Boost mode AC-AC converters with high frequency link are comparatively investigated in this paper，and important conclusions are obtained.The circuit configurations of AC-AC converters with high frequency link are constituted in the order of input filter，storage inductance(Boost mode），input cycloconverter，high frequency transformer or high frequency storage transformer，output cycloconverter，and output filter respectively.Research results have demonstrated that the three kinds of AC-AC converters with high frequency link have different technological performance，difficulty of engineering realization，and application fields，and lay the key technical foundation on new type regulated sinusoidal AC power supply，AC regulators，electronic transformer and same frequency waveform conversion.

AC-AC converter;high frequency link;Buck mode;Boost mode;Buck-Boost mode;performance comparison

TM464

A

1003-3076(2010）02-0001-04

2009-07-04

国家自然科学基金资助项目 (50577031）

陈道炼 (1964-），男，福建籍，“闽江”学者特聘教授，博导，博士，主要从事电力电子学研究。

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