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1、交流调压电源的设计与仿真任务书一、设计内容：1、查阅相关文献资料，掌握交流调压技术的发展与现 状。2、根据设计要求，确定功率电路的实现方案。3、对交流调压电源的控制方案进行设计。4、对交流调压电源的工作原理进行分析，并对功率电 路和控制电路的电路参数进行设计。5、在理论分析和设计的基础上，对交流调压电源进行 仿真分析。二、设计要求：交流调压电源设计的具体要求是：输出功率P=500W,输 入电 压 V =220V ,输 出 电 压 V =110V ,输 出 电 流in AC o ACI =4. 5A,开关频率f =100kHz。osAC-AC变换作为一种功率变换，其调压控制广泛用于交流电机调速、
2、电加热 的调温等，其稳压控制广泛用于交流稳压器、交流测试电源等。目前在电力电子 及理论电工的研究领域中都是一个研究热点，它涵盖了电力电子、理论电工及控 制理论中的众多内容。目前，实现AC/AC电压变换的方案主要有工频变换器、矩阵变换器、高频交 流环节AC/AC变换器和交-直-交变换器。工频变换器体积重量大，成本高，且没 有稳压功能；矩阵变换器采用高频PWM技术，具有输入电流波形好、可实现高输 入功率因数等优点，但由于其开关数量多，成本高，最大电压增益仅为0.866， 控制策略复杂，同时需要复杂的钳位保护电路等问题，实际实现困难；高频交流 环节的AC/AC变换器可实现电气隔离、高输入功率因数，但
3、也存在电路和控制复 杂等问题。目前常用的AC/AC变换是交-直-交型变换，这种变换要经过一个直流的过程， 也就是说先从交流电整流成直流电，通过对直流电的处理和控制，完成转换的过 程，然后再逆变成交流电，输出给用电设备。采用这种方式主要是因为直流电易 于控制。但是也有缺点，它仅能实现降压变换，变换级数过多，不但成本较高， 而且电路复杂。其整流滤波环节对电网谐波污染严重，滤波电容会使电路的功率 因数下降。由于交-直-交型变换电路的上述缺点，设计直接的“交流一交流”电力电子 功率变换电路成为一个新的研究领域。这种电路的主要优点有： 省去中间的直流环节，可以使电路元件的数目上大大减少，电路的拓扑结构
4、也简化了。 电路损耗大为减少，电路的转换效率相应提高。 由于转换环节的减少，转换的精度也有所提高。可以有效的简化电路和降低 成本。相关文献提出了一类基于 DC/DC 变换器拓扑的 PWM AC/AC 变换器拓扑族， 通过采用双向开关取代直流变换器中的单向开关，这类变换器能实现直接 AC/AC 电压变换功能，并且开关数量少，电路结构简单，实现成本低，但由于单有源器 件双向开关的使用，使变换器存在严重的换流问题，大大降低了变换器的可靠性 和效率。112xdioR02$4BB)vaOVsQ图 2 Buck-Boost 变换器等效电路之一图 1 Buck-Boost 原始电路SL十w Q图 3 Buc
5、k-Boost 变换器等效电路之二本文在相关文献提出的 Buck-Boost AC/AC 变换器的基础上，使用双有源器件双向开关代替原有单有源器件双向开关，并给出了双向开关换流控制策略，实 现了一种变比可以连续变化的固态变压器。图 4 Buck-Boost AC/AC 变换器拓扑结构上图的主电路由Buck-Boost拓扑结构变形转换而来，用作稳压功能。输入电 压为额定值时，电路工作在占空比D=0.5左右的情况下，以便实行升降压调控； 当输入电压低于额定值时，工作在占空比D0.5的升压调控；当输入电压高于额 定值时，工作在占空比D0.5的降压调控。控制电路采用目前常用的脉宽调制PWM技术，通过控
6、制功率开关管的导通时 间占空比来得到稳定的输出交流电压，实现从交流电到交流电的直接转换，使高 性价比、无工频变压器式开关电源成为可能。相对传统的相控整流交流调压技术， 采用PWM控制的斩波方式AC/AC直接变换器具有单级变化、不产生低次谐波、仅取 决于负载的功率因数、快的动态响应速度、宽的线性调压范围以及输入输出易于 滤波等优点，近年来得到了广泛关注和深入研究，正逐步取代传统结构成为交流 电压调节方案的主流，在中小功率的交流调压领域获得广泛应用，包括电机调速、 风机水泵、照明调光、高压静电除尘等。本设计按照AC/AC直接交流调压的主电路和控制电路的分析和设计的过程进 行组织和编排，对其进行研究
7、。全文共分为五节，其结构如下: 第一节 功率电路及其参数的设计。第二节介绍Buck-Boost直接交流变换器的变换原理，并对其工作方式及工作模态进行分析。第三节 确定控制方式，并设计控制方案第四节 控制电路设计。第五节 仿真。第一节 功率电路及其参数设计一、Buck-Boost AC/AC变换器的功率电路图:图1-1 功率电路图图1为Buck-Boost直接交流变换器主电路拓扑图。在这个电路中，我们采 用高频功率开关管作为执行机构，可以直接对交流电进行调压。电感L为储能元 件，它是电源与负载之间的主要能量传递者，能够保证负载上电流保持连续的状 态。电容C用来消除输出电压的波形波动，同时可以维持
8、负载端电流的连续，起 到一个滤波的作用。S、S、S、S分别为由两个IGBT反向串联组成的双向开关,1234采用脉宽调制（PWM）的方法来控制高频功率开关管,通过他们的通断来调节占空 比。二、电路参数设计:1、变换关系:为了便于分析，假设变换器所有的元件都是理想器件。设变换器输入为工频交流电压v，输出为v ,开关频率为f ,输出额定功率为P，由于开关频率远 in o o大于电源频率，因此在一个开关周期内输入电压V ,输出为V、电感电流I均可inoLf视为直流，分别标记为-、匸、厂。并假设一个高频周期中功率开关S1导通的in o Lf时间为DT,其中，T为开关周期，D为占空比，则S3导通，电感向负
9、载释放能量 的时间为(1-D)T。根据Buck-Boost变换器的工作原理，在开关周期内平均输出 电压和平均输入电压的关系符合：VD(1)O v 1 Din从一个完整的工频周期来看，输入电压有效值和输出电压有效值也会符合关系：V _ D(2)O V 1Din2、电路参数设计：、原理说明：变换器储能电感的设计可以按照类似直流Buck-Boost的方法来设计。下文给 出了变换器在阻性负载下的电路参数设计方法。在图2(A)所示的电流波形中，ILf为电感电流波形，2AI sin(wT)和Q2BI sin(wT)分别为I在各开关周期的峰值LfLfLf和谷值所形成的正弦包络线，空2l sin(wT)为I的
10、平均值所形成的正弦包络线。LfLf这里定义K 口 为电感电流的纹波系数。I2由于在一个开关周期内输入电压、输出电压、电感电流均可被视为直流，此时电感电流波形可如图2(B)所示。则在一个开关周期里的S1关断、S3导通器件，存在电量关系：(3)AiL L = v f (1 D)To其中，A厂=厂x2k，表示任意开关周期里电感电流的最大变化量。为了减Lf Lfi小流过功率开关的电流尖峰，一般取k 20%。式(3)对于任意开关周期均成立，i结合图4所示的关系，由变换器在各开关周期工作状态的一般性，可得到在整个工频周期的关系式：Ai(4)L Lf = Vf (1 D )To其中， Ai= Ix 2k 。
11、Lf Lfi在不考虑各种损耗的情况下，输入功率等于输出功率，即：VI二VI (5)i i o o其中，I和I分别为输入、输出电流基波分量有效值，同时有：ioI = DI (6)i Lf从而，I = o(7)Lf 1 D将式(7)代入(4)，得到电感的设计表达式为：(8)V (1 D)To2k Ii LfV (1 D)To2k -L-i1DV (1 D)2o2 Ikfoi与储能电感的设计过程类似，滤波电容C。的设计同样由任意单个开关周期的电量 关系所具有的一般意义推广到整个工频周期。在一个开关周期里S1导通，S3关 断期间，电容放电，定义A? = kV，贝U有：o v oi dtAv = -c(
12、9)oCo其中，厂为一个开关周期内的电容放电电流，可视为直流，其大小等于这个开关C周期的负载电流i。那么根据式(9)，要使输出电流纹波不超过规定值，输出滤波 o电容 Co 需满足：oi dt i dt10)c n o- = ooA vk vo v o将式(10)推广到整个工频周期，可得电容的设计表达式为：cnoI dtok VvoI (1 D)okVfvo11)因为Buck-Boost电路输入输出电压极性相反，因此，开关管在关断时承受的电压 应力为：= 2(V V ) = Vin o 1D in可见，在这个电路拓扑中，开关管的电压应力会比较大。开关管的峰值电流为电感电流峰值，所以流过开关的峰值
13、电流为：i = i+ Ai= (1+ k X2Ip LfLfiLf、参数计算:由式(8)可知：V (1-D)To2k Ii LfV (1-D)T o2k -L-i1-DV (1-D)2o2 IkfoiV 输出电压，取 110V ； oD在这里不考虑升压或降压状态，取D=0.5；输出电流，取4.5A； o开关频率， 100kHz；Aik = Lf ， k I (1-D) okVfvo4.5 x 0.50.4 x110 x100x1000 = 0.5y F=110 = 24.404.5根据公式计算后，可以确定元件大小的大致的取值范围，再使用仿真软件对 其进行仿真，确定L和C的具体取值大小。从输出的
14、波形图，可以直观地显示出 各个元件对输出电压的影响。滤波电容C2是用来消除输出电压的波形脉动，同时可以维持负载电流的连续。假如C2的值设置太小，则无法滤去输出电压中的脉动，输出电压的纹波非常明显；假如C2的值设置太大，虽然纹波变小了，但输出波形出现了变形。电感L 作为一个储能元件，是电源和负载之间的主要能量传递者，起保持负载上的电流 连续状态的作用。假如L设置太小，就无法保证整个电路工作在电流连续的情况 下；假如L的值设置太大的话，就会导致输出电压波形与输入电压波形的相位有 较大的滞后偏差。经仿真，得到最合理的参数为C = 0.5卩F , L = 1mH。2第二节 变换器工作原理及工作方式分析一、Buck-Boost AC/AC变换器的工作原理：1、功率电
