一种新颖的双升压／双降压式AC／AC变换器

摘要：提出了一种新颖的适用于航空变频电源(360～800 Hz)的AC／AC变换器。它由双升压式整流器和双降压式逆变器直接连接构成，继承了无桥臂直通隐患、无体二极管反向恢复的优点，同时具有可靠性高和效率高的优点。简要介绍了该变换器的工作原理和控制方法；推导了前后级电感的设计公式；仿真和实验验证了理论分析的正确性。
关键词：变换器；双升压／双降压；滤波器

1 引言
目前，国内外广泛采用的PWM整流／逆变电路为半桥或全桥结构。该电路拓扑的主要不足是同一桥臂开关管串联，存在发生开关管直通短路隐患。同时电路的续流二极管为开关管的体二极管，其反向恢复时间相当长，导致大的反向恢复损耗。这两个问题使该PWM整流／逆变电路的可靠性和变换效率受到了限制，对频率较高的飞机变频电源而言，该影响更为明显。
针对以上问题，在此提出了一种新颖的PWM整流／逆变电路。它由一个双升压式整流电路(前级)和一个双降压式逆变电路(后级)直接连接
构成。该电路避免了两开关管串联与直流电源并接的结构，消除了直通短路的可能性，也避免了借用开关管体二极管续流，导致反向恢复损耗大的缺陷，同时效率和可靠性均得到较大提高；且前后级共用一个直流母线，输入输出共地，电路构成简单，尤其适用于飞机变频电源场合。

2 工作原理和控制方法
2．1 主电路工作原理
图1示出所提出的双升压／双降压式AC／AC变换器结构，它由前级双升压式整流电路和后级双降压式逆变电路连接构成。

2．1．1 双升压式整流电路
该电路由uin，V2，VD2，L2，C1，C2构成第一组Boost电路，由uin，V1，VD1，L1，C1，C2组成第二组Boost电路，有如图2所示的4种工作模态。无论该电路是工作在整流还是有源逆变状态，都希望输入电源的输出电流尽量正弦化且与输入电压同相位，实现功率因数为1，因此该电路的工作周期可分成两段：输入电流正半周(iin>0)和负半周(iin0)。iin>0时间段第一组电路工作，有两种工作模态(1，2)；iin0时间段第二组电路工作，也有两种工作模态(3，4)。当输入电流与输入电压同相位时，电路工作在PWM整流状态；当两者相位相反时，电路工作在PWM有源逆变状态。

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2．1．2 双降压式逆变电路
该电路由uo，V3，VD3，L3，C1，C2构成第一组Buck电路，由uo，V4，VD4，L4，C1，C2构成第二组Buck电路。其与前级双升压式整流电路工作原理类似，也有4种工作模态，如图3所示，这里不再赘述。

2．2 控制方法
电路前后两级均采用电流滞环控制(HCC)，实现半周期控制方式，电路中无环流，且控制方法简单、动态响应快、能实现电流自适应跟踪。此外，HCC还具有自动限流能力，有利于对逆变器输出有短路要求的场合，如航空电源。图4示出控制原理。前级控制环路中引入一个电压外环实现整流输出电压的稳定来控制能量流动的平衡；锁相环可得一个与输入电压同步变化的正弦基准，该基准乘以电压外环输出作为电流内环给定，此给定信号和输入电流采样信号同时送入滞环比较器产生PWM信号，驱动MOSFET实现PWM整流功能。为使直流母线两电容电压均衡，在控制环中引入均压环。后级主要是控制输出交流电压的正弦化和幅值频率稳定，电压外环输出作为电流内环给定，电流环也采用滞环控制，原理类似。

3 关键技术解决
因电路结构对称且两级采用了相同的控制方法，两级电感设计方法类似。故这里以前级升压电感L2为例来推导电感的设计公式(后级逆变器电感设计时还应考虑短路运行状态)。
电感电流变化率取决于加在其两端的电压大小。结合双升压式整流电路的工作模态，忽略电感线圈内阻且认为两电容均压，uC1=uC2=Udc ／2，可得：


式(6)说明电路正常工作时fs是变化的，其变化范围取决于fs'。而对于后级逆变器，在短路运行时，输出电压为零，其始终工作在式(7)决定的fsmax处。因此可依据式(6)，(7)设计电感。
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4 实验验证
为验证所提出电路的可行性和理论分析的正确性，设计了一台1 kW的实验样机。参数为：L1=L2=L3=L4=800μH；直流母线电压Udc=340 V；两直流母线电容C1=C2=1 200μF，250 V；uin为115 V，360～800 Hz；uo为115 V，400 Hz；开关管均选用IRFP460；二极管选用DSEI30—06A；控制芯片采用了一片TMS320F12812型DSP。
图5为阻性满载、输入频率变化过程中某一时刻的输入(输出)电压电流实验波形。

图6为实测效率和输入功率因数值及输入电流和输出电压总谐波畸变率(THD)随输出功率变化曲线。结合图5a，图6b，c可知，满载输入电流THD=3％，正弦度高；输入功率因数大于0.99，实现高功率因数输入。由图5b，图6d可知，输出电压正弦度好，THD小，满载时仅为0.6％。系统整机效率随输出功率变化曲线如图6a所示，满载时功率因数不低于94％，系统效率高。

5 结论
在此提出的双升压／双降压式AC／AC变换器不仅消除了传统的半桥和全桥变换器桥臂直通后过流导致开关管损坏的隐患，而且解决了开关管的体二极管参与续流工作，反向恢复损耗大，限制了开关频率增加的缺点；此外，该电路前后级共用一个直流母线，输入输出共地，结构简单，特别适用于飞机变频电源场合。该电路在静止无功补偿、有源电力滤波、四象限交流电机调速、太阳能、风能等可再生能源发电等多种场合也可得到广泛运用，具有较大的实用价值。