Buck型 AC/AC交流变换器的设计与实现

1 引言 AC/AC交流变换是把一种形式的交流电变换为另一种形式的交流电[1-2]，其中可用于降压变换的主要有工频变压器、相控交流调压电路[2-3]、交-直-交变换器、电子变压器[4-5]、高频交流环节AC/AC交流变换器[6-7]、矩阵变换器[8]和非隔离的Buck型、Buck-Boost型AC/AC交流变换器[9]。

工频变压器体积重量大，无稳压及调压功能；相控交流调压电路输入、输出含有严重的谐波分量，一般只适用于热或机械惯性较大的负载功率调整[3]；交-直-交变换器变换级数过多，其变换效率不高，且对电网谐波污染严重；电子变压器体积重量小，其开关器件数量众多，且同样没有稳压及调压功能；高频交流环节AC/AC交流变换器虽然可实现电气隔离，但拓扑结构及控制电路复杂，而且开关器件数量众多；矩阵变换器同样存在开关器件多、控制策略复杂的问题，并且其最大增益仅为0.866；Buck-Boost型AC/AC交流变换器能实现升降压功能，但其开关管电压应力高，输入输出之间无直接能量传递通路，从而变换效率不高，且输入输出相位相反；在无需电气隔离的降压场合，Buck型AC/AC交流变换器具有结构简单、容易控制等特点。

本文详细分析了Buck型AC/AC交流变换器的工作原理及其控制策略，对其进行了仿真研究，并研制了一台原理样机，仿真及试验结果与理论分析一致。

2 电路结构与工作原理

图1为Buck型AC/AC交流变换器的电路结构，其中S1（S1a、S1b）和S2（S2a、S2b）为两对交流开关管，两者互补开通，开通时间分别为DTS、(1-D)TS，其中D为占空比，TS为开关周期。

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。

占空比D为常数，故输出电压uo也是正弦变化，其相位和输入电压uin一致，但幅值不大于Um。

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，存在四种不同阶段：uin >0, iLf >0；uin >0, iLf <0；uin <0, iLf<0；uin <0, iLf >0。

(1) uin > 0, iLf > 0 开关管S1b、S2b恒通，S1a、S2a高频互补开通，该阶段电路两种开关模态如图2所示。

(图中实线表示电流流经的路线，虚线表示电流未经过的路线，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，输入电压通过开关管S1a、电感Lf给电容Cf和负载供电，如图2(a)所示；当开关管S1a断开、S2a开通时，电感电流iLf经Lf、Cf和负载、开关管S2a的反向二极管续流，Lf和Cf共同向负载供电，如图2(b)所示。

 

图2 uin > 0, iLf > 0时的开关模态： (a) S1a开通、S2a关断； (b) S1a关断、S2a开通 (2) uin > 0, iLf < 0 开关管S1b、S2b恒通，S1a、S2a高频互补开通，该阶段电路两种开关模态如图3所示。

当开关管S1a开通、S2a关断时，输入电压通过开关管S1a的反向二极管、电感Lf给电容Cf和负载供电，如图3(a)所示；当开关管S1a断开，S2a开通时，电感电流iLf经Lf、开关管S2a、Cf和负载续流，Lf和Cf共同向负载供电，如图3(b)所示。

 

图3 uin > 0, iLf< 0时的开关模态：

(a) S1a开通、S2a关断； (b) S1a关断、S2a开通 (3) uin <0, iLf < 0 开关管S1a、S2a恒通，S1b、S2b高频互补开通，该阶段电路两种开关模态如图4所示。

 

图4 uin< 0, iLf < 0时的开关模态： (a) S1b开通、S2b关断； (b) S1b关断，S2b开通 当开关管S1b开通、S2b关断时，输入电压通过开关管S1b、电感Lf给电容Cf和负载供电，如图4(a)所示；当开关管S1b断开，S2b开通时，电感电流iLf经Lf、开关管S2b的反向二极管、Cf和负载续流，Lf和Cf共同向负载供电，如图4(b)所示。

(4) uin <0, iLf> 0 开关管S1a、S2a恒通，S1b、S2b高频互补开通，该阶段电路两种开关模态如图5所示。

当开关管S1b开通、S2b关断时，输入电压通过开关管S1b的反向二极管、电感Lf给电容Cf和负载供电，如图5(a)所示；当开关管S1b断开，S2b开通时，电感电流iLf经Lf、Cf和负载、开关管S2b续流，Lf和Cf共同向负载供电，如图5(b)所示。

 

图5 uin< 0, iLf > 0时的开关模态： (a) S1b开通、S2b关断； (b) S1b关断，S2b开通 3 控制策略 Buck型AC/AC交流变换器的控制框图如图6所示。

输出电压经反馈采样后，与基准输出电压信号uo_ref进行比较，经PI调节后得到输出电压误差放大信号ue，再与三角波进行比较，得到高频PWM控制信号SP2，SP2反相后得到控制信号SN2；输入电压经采样后，经过零比较器产生低频的输入电压极性信号SP1，SP1反相后得到信号SN1；SP2、SN2分别与SP1、SN1 进行逻辑或调制，产生开关管S1a、S1b、S2a、S2b的控制信号K1a、K1b、K2a、K2b。

4仿真与实验 为了验证Buck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：输入电压幅值额定输出电压幅值为负载为48.4 W的电阻(输出功率为250 W)，开关采用理想器件；输入电压频率f=50 Hz；开关频率为50kHz；电感Lf =500μH，电容Cf =4.4μF。

开关管S1a、S1b、S2a、S2b的控制信号K1a、K1b、K2a、K2b的仿真波形如图7(a)所示。

当输入电压大于零时，开关管S1b、S2b恒通，S1a、S2a高频互补开通；当输入电压小于零时，开关管S1a、S2a恒通，S1b、S2b高频互补开通。

图7(b)为输入电压uin、输出电压uo和交流开关管S2的两端（即S2a、S2b两管D（漏极）-D（漏极）之间的）电压波形uS2。

 

图7 Buck型AC/AC交流变换器的仿真波形：

(a) 控制信号K1a、K1b、K2a、K2b ； (b) 电压uin、uo及uS2 4.2实验波形 根据上述分析，本文设计了一台原理样机。

样机参数设置如下：输入电压有效值Uin =220V, 额定输出电压有效值Uo =110V。

开关管采用IRFP460A；输入电压频率为50Hz；开关频率为45kHz；电感Lf=500μH；电容Cf=4.4μF。

其实验波形如图8所示。

其中图8(a)为输入电压uin和输出电压uo的实验波形，uo和uin的相位相同；图8(b)为输入电压uin和交流开关管S2的两端电压波形uS2，uS2是以uin为包络线的高频脉冲序列。

图8 Buck型AC/AC交流变换器的实验波形： (a) 输入电压uin和输出电压uo ； (b) 输入电压uin和S2的两端电压uS2 5 结论 本文详细分析了Buck型AC/AC交流变换器的工作原理及其控制策略。

该变换器两对交流开关管高频互补开通，当占空比为常数时，其输出电压和输入电压的相位相同，但幅值不大于输入电压的幅值。

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。

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。

[充电器]仅需2颗芯片外围，无Y无共模12V1A适配器PN8611集成超低待机功耗原边控制器、FB下偏电阻和电容、VDD供电二极管、CS电阻及650V高雪崩能力智能功率MOSFET，用于高性能、外围元器件超精简的充电器、适配器和内置电源。 PN8611为原边反馈工作模式，可省略光耦和TL431。 内置高压启动电路，可实现芯片空载损耗（230VAC）小于50mW。 PN8611是一款全电压实现12V1A输出的电源适配器芯片，PCBA尺寸：50.0mm*38.0mm*16.0mm，12W功率输出，待机功耗83.26%，可满足CoC V5 Tier 2，全电压可实

使用示波器快速高效的调试汽车串行总线
序言


工程师使用示波器对汽车串行总线 (例如 CAN FD、LIN、SENT 和 FlexRay) 进行调试和表征的主要原因是因为示波器本身能够表征这些信号的模拟质量。使用示波器

推挽拓扑中的变压器磁芯是怎么复位的？本帖最后由diandang于2011-4-714:06编辑
当Q1，Q2都关闭的那个死区时间复位的吧，那复位电流的通路在哪？
还有(b)中的漏感尖峰电压变为Vdc也是磁芯复位的原因吧，
然后它又为什么变

大电流电感