单相四开关Z源AC-AC变换器.pdf

航空电源航空科技重点实验室学术年会(APSC2006)论文集 142 单相四开关单相四开关Z源源AC-AC变换器变换器 汤雨 张超华 谢少军 (南京航空航天大学航空电源重点实验室 南京 210016)Single-Phase Four Switches Z-Source AC-AC Converters TANG Yu,ZHANG Chao-hua,XIE Shao-jun (Nanjing University of Aeronuatics and Astronautics Nanjing 210016 China)Abstract:A new family of single-phase four switches Z-source AC-AC converters are proposed,including voltage-fed and current-fed.Compared to traditional ac-ac converter circuits,they have unique features:providing a larger range of output ac voltage with buck-boost,reversing or maintaining phase angle,reducing in-rush and harmonic current.A new commutation strategy for single-phase four switches Z-source AC-AC converters is proposed to solve the commutation problem existing in AC-AC converters.Analysis,simulation and experimentation are given on the voltage-fed Z-source AC-AC converter.Experimental results verified the analysis.Keywords:AC-AC converter;Z-source;Commutation 摘要摘要：本文提出了一种单相四开关Z源AC-AC变换器，它包括电压型与电流型两类。与传统脉宽调制AC-AC变换器相比，它具有如下特点：输出电压范围宽且可升可降，输出电压与输入电压可同相或反相，冲击和谐波电流小，可靠性高。针对AC-AC变换器中固有的开关管换流问题，提出了一种适用于单相四开关Z源AC-AC变换器的换流方案。以电压型单相四开关Z源AC-AC变换器为例，对其进行了理论分析、仿真和原理试验研究。实验结果证实了分析正确。关键词关键词：AC-AC 变换器；Z 源；换流 1.引言引言 AC-AC变换器能实现交流电压的变换，目前最常用的结构是带直流环节的间接型AC-AC变换器1、采用高频交流环节的直接AC-AC变换器2和矩阵变换器3。间接型AC-AC变换器功率变换级数多、效率低，整流环节导致电网污染；高频交流环节AC-AC变换器电路结构和控制复杂，可靠性低；矩阵变换器电路结构和控制也偏复杂，其输出电压传输比低于0.866，且换流控制复杂。文献4提出了基于简单电路拓扑的AC-AC变换器，具有直接AC-AC变换、电路结构简洁、控制简单等优点，但各类拓扑均有其不足之处，如Buck电路仅能实现降压变换、Boost电路仅能实现升压变换、Buck-Boost输出电压与输入反相且输入输出电流纹波大、Cuk变换器输出电压与输入反相且结构较复杂等问题。文献5在此基础上引入了Z源环节，该变换器输出电压范围宽且可升可降，输出电压与输入电压可同相或反相，但仍存在如下问题：1.输入电压与输出电压不共地，因此并不能体现出输出电压与输入电压可以同相或反相的特点；2.该变换器中两个四象限开关切换时存在换流问题，需外加缓冲电路以保证安全换流；3.每个双向开关开通时，电流要流经由两个二极管和一个开关管组成的串联回路，即要流过三个功率器件，故通态损耗较大。本文在文献5的基础上，用双有源器件四象限开关代替单有源器件四象限开关，提出一种换流策略，以电压型单相四开关Z源AC-AC变换器为例，分析了其工作原理并进行了仿真分析与原理试验研究。汤雨等：单相四开关 Z 源 AC-AC 变换器 2.单相四开关单相四开关Z源源AC-AC变换器工作原理变换器工作原理 2.1 单相四开关单相四开关Z源源AC-AC变换器电路变换器电路 图1为电压型和电流型单相四开关Z源AC-AC变换器主电路图。这四种变换器都有四个单向功率开关，其中Q1、Q2反向串联构成一个四象限开关，Q3、Q4反向串联构成另一个四象限开关，以阻断双向电压并流过双向电流，D1、D2、D3、D4分别为Q1、Q2、Q3、Q4的体二极管。Z源网络由二个相同的电感和二个相同的电容构成，在AC-AC变换器中起储能和滤波的作用。单相Z源AC-AC变换器工作方式与DC-DC变换器类似，由Q1、Q2构成的四象限开关S1与由Q3、Q4构成的四象限开关S2工作于互补状态。S1的等效占空比定义为D，通过调节其占空比，可以得到所要求的输出电压。(a)输入输出共地的电压型 (b)输入输出不共地的电压型 (c)输入输出共地的电流型 (d)输入输出不共地的电流型 图1 单相四开关Z源AC-AC变换器 2.2 单相四开关单相四开关Z源源AC-AC变换器的换流方案变换器的换流方案 由于四象限开关的引入，单相Z源AC-AC变换器存在开关管之间的换流问题。以图1(a)电路为例，当电路需要由原来的S1开通切换到S2开通时，两个开关不能同时处于导通状态，否则便会存在由电源Vi、开关S1、电容C1开关S2和电容C2所构成的回路，产生很大的冲击电流将电路损坏；两个开关也不能同时处于关断状态，否则将会形成仅由电感L1、L2、L3所连接的电路节点，将产生很高的电压尖峰损坏开关管。因此，开关S1、S2必须严格互补导通才能确保电路的安全工作，但在实际实现时，由于开关管的非理想性，存在开通与关断延时，故开关S1、S2不可能做到完全互补导通，一般的做法是在两个开关之间插入死区，并在开关上外加有损143 航空电源航空科技重点实验室学术年会(APSC2006)论文集 缓冲电路来提供死区时的换流通路以抑制开关电压尖峰6。但加入缓冲电路后将会使输出电压波形产生畸变并且会降低变换器的效率。本文提出了一种适用于单相四开关Z源AC-AC变换器的换流方案。以图1(a)电路为例，电路中存在由Vi、Q1、Q2、C1、Q3、Q4、C2所构成的回路，当V=Vi-VC1-VC20时，Q1、Q2、Q3、Q4仅承受正向电压应力，正向电压由Q1、Q3承受，此时可令Q2与Q4常通，当V0时，令Q2、Q4常通，Q1、Q3以恒定占空比互补导通且带有一定的死区时间，当V0时，Q1与Q4常通，Q2与Q3有死区互补导通，当V0为例，在一个开关周期中，图1(a)主电路有三种工作模态，如图2所示。当Q1开通时，主电路工作过程如图2(a)所示，当iL+iL1+iL20时，输入电流从Q1、D2流通，此时电源向变换器提供能量，当iL+iL1+iL20时，电流从Q4、D3流通，主 电 路 工 作 过 程 如 图 2(b)所 示，当iL+iL1+iL20时,电流从Q4、D3流通,当iL+iL1+iL20时，电流从Q3、D4流通。(a)(b)(c)(d)图 2 主电路工作模态 144 汤雨等：单相四开关 Z 源 AC-AC 变换器 3理论分析理论分析 145 3.1 电路中电压关系分析电路中电压关系分析 以图1（a)所示电路为例进行分析。S1的等效占空比为D，忽略死区的影响，则S2等效占空比为1-D。该电路有两个模态，图3(a)和（b)所示为两个模态的等效电路图。由于Z源网络中的电感值和电容值均相等，Z源网络是对称的，因此 12LLiii=C1C2Cvvv=(1)设开关周期为Ts，DTs期间等效电路如图3(a)所示，则 12LLivvvv=(1-D)Ts期间等效电路如图3(b)所示，则 12LLvvvC=(3)在一个开关周期中，由电感电压平均值为零，可得 21iCDvvD=(4)忽略输出滤波电感和Z网络电感上的基波压降，可得输出电压应等于Vc，则输出电压可表示为 21ioDvvD=(5)C (2)(a)DTs期间等效电路 (b)(1-D)Ts期间等效电路 图 3 一个开关周期中等效电路图 图4为电压增益与占空比关系图，从图中可以看出变换器的输出电压可高于或低于输入电压。另外，根据工作区间，输出电压可以与输入电压同相或反相图4 电压增益与占空比关系 3.2 电路中电流关系分析电路中电流关系分析 设Vi、Ii分别为输入电压有效值和输入电流基波分量有效值，Vo、Io分别为输出电压和输出电流有效值，IL为输出滤波电感基波电流的有效值，IC为输出滤波电容基波电流的有效值，VC1=VC2为Z网络中电容基波电压的有效值，IC1=IC2为Z网络中电容基波电流的有效值，IL1=IL2为Z网络中电感基波电流的有效值，为基波角频率，由输入有功功率等于输出有功功率，设和分别为输入、输出功率因数角，可得 coscosi io oV IV I=(6)由图3可看出，只有在DTs期间才有输入航空电源航空科技重点实验室学术年会(APSC2006)论文集 电流，在基波频率下电感感抗远小于电容容抗，因此，从输入电源侧看，所得到的等效电路如图5所示。146 图5 基波频率下等效电路 考虑到交流电容C、C1、C2值较小，将其忽略，可得输入功率因数角等于输出功率因数角，由式(6)可得 i io oV IV I=(7)将式(5)代入上式可得 21iDoIID=(8)121121iCCCDVIICVCD=(9)由于输出滤波电容较小，忽略IC，可得 LoII=(10)由前所述，Ii与Io相位相等，忽略IC1可得 12121LLioDoIIIIDI=(11)流过开关管的峰值电流为 1(1)(1)21ipIikIDDok=+=+(12)式中，k为DTs期间输入电流脉动系数。4仿真与实验结果仿真与实验结果 电压型Z源AC-AC变换器仿真波形如图6所示，仿真中所用参数为L1=L2=500uH，C1=C2=6uF,L=600uH，C=15uF，开关频率20kHz,死区时间为0.5us。图中从上到下分别为输入电压、输出电压、Z网络电容电压、S1驱动与漏源极电压波形。由仿真波形可见，当D0.5时，变换器输入输出电压同相，且工作于升压模式。实验中样机的电路参数与仿真相同。图7所示为在阻性负载R=50时实验波形。图7(a)为Vi=110V，D=0.3时输入输出电压波形；图7(b)为Vi=110V，D=0.3时Q1驱动与漏源电压波形；图7(c)为Vi=72V，D=0.7时输入输出电压波形；图7(d)为Vi=72V，D=0.7时Q1驱动与漏源电压波形。图7所示为在阻感性负载R=20,L=50mH时实验波形。图8(a)为Vi=110V，D=0.3时输入输出电压波形；图8(b)为Vi=110V，D=0.3时输入电压与Q1漏源电压波形；图8(c)为Vi=72V，D=0.7时输入输出电压波形；图8(d)为Vi=72V，D=0.7时输出电压与输出电流波形。(a)Vi=110V,D=0.3 (b)Vi=72V,D=0.7 图6 仿真波形 汤雨等：单相四开关 Z 源 AC-AC 变换器 (a)上:输入电压(100V/div)(b)上:Q1驱动电压(10V/div)下:输出电压(100V/div)下:Q1漏源电压(100V/div)(c)上:输入电压(100V/div)(d)上:Q1驱动电压(10V/div)下:输出电压(100V/div)下:Q1漏源电压(100V/div)图7 阻型负载下实验波形 (a)上:输入电压(100V/div)(b)上:输入电压(100V/div)下:输出电压(100V/div)下:Q1漏源电压(200V/div)(c)上:输入电压(100V/div)(d)上:输出电压(100V/div)下:输出电压(100V/div)下:输出电流(10A/div)图8 感性负载下实验波形 5.结论结论 本文提出了一种单相四开关Z源AC-AC变换器，并给出了一种合适的换流策略，与147 航空电源航空科技重点实验室学术年会(APSC2006)论文集 148 原有的两开关Z源AC-AC变换器相比，它具有以下优点：1、解决了原变换器存在的换流问题，无需外加吸收电路即可实现四象限开关的安全换流；2、每个四象限开关导通时，主电路电流只流过有一个开关管和一个二极管的串联回路，即电流只流过两个功率器件，与原方案中电流流经三个功率器件相比，能有效的减少通态损耗，提高了变换效率；3、每个开关管在一个工频周期中工作于半周常通，半周高频调制状态，大大减小了开关损耗；4、主电路只需使用使用四个开关管，与原方案相比，使用分立元件数少，可靠性高。实验结果表明，通过控制占空比，Z源AC-AC变换器成为变比连续变化的固态变压器，具有重要实用价值。参考文献参考文献 1 Bhowmik,S.，Spee,R，A guide to the application-oriented selection of ac/ac converter topoloogies，IEEE Trans.on PE，1993,vol.8,no.2,pp.156163.2 Li Lei，Chen Daolian，Hu Yuwen,Novel forward mode AC/AC converters with high frequency link，Journal of Southeast University，2003，Vol.19，No.3，pp.246249.3 Wei,L.Lipo,T.A.，A novel Matrix converter topology with simple commutation，IEEE IAS，2001，Vol.3，pp.17491754.4 Fang Zheng Peng，Lihua Chen,Fan Zhang，Simple Topologies of PWM AC-AC Converters，IEEE Power Electronics Letters，2003，Vol.1，No.1，pp.10-13.5 Xu Peng Fang，Zhao Ming Qian，Fang Zheng Peng，Single-Phase Z-Source PWM AC-AC Converters，IEEE Power Electronics Letters，2005，Vol.3，No.4，pp.121-124.6 蔡鹏，谢少军，基于简单拓扑的单相交流降压变 换 器 研 究，通 信 电 源 技 术，2006，Vol.23,No.1,pp.5-8.