0 引言

    AC/AC變換技術是應用電力電子器件，將一種交流電能變換成另一種交流電能的變流技術，廣泛應用于交流電壓變換的各個方面^[1]。目前主要有帶直流環節的間接型、采用高頻交流環節的直接型以及矩陣變換型等類型電路^[2]。直接型電路主要有Buck、Boost、Cuk變換器等，這類變換器的缺陷主要有單一的升壓或降壓特性、開關器件導通比大、器件發熱、紋波電流大、結構復雜等^[3，4]。近年來Z源變流器成為眾多學者研究的熱點問題，文獻[5]提出了Z源變換器，Z源AC/AC變換器源于傳統Z源變換器，是一種基于X型LC網絡的直接型交流變換裝置^[6]，該變換器克服了傳統交流變換器單一的升壓或降壓特性，既可以是電壓型也可以是電流型，該Z源網絡允許橋路直通或開路，大大提高了電路的可靠性和安全性。該變換器具有輸出電壓調節范圍大，升降壓以及電壓的反向或同相的特點。Z源網絡可以降低沖擊電流和改善諧波含量，電路的可靠性大大提高^[7-9]?；谧杩乖此枷?，文獻[10]提出了準阻抗源網絡的概念，其獨特的電路結構和優良的電路特性引起了國內外學者的廣泛關注，文獻[11]是在準Z源的拓撲的基礎上設計一種AC/AC變換器，拓撲結構不僅可以提高升壓比，還可以降低電容器電壓，但是電容器兩端的電壓依然偏高。

    為了克服以上缺陷，本文設計了一種新的AC/AC變換器電路拓撲，分析其電路結構、工作原理，并用仿真和實驗驗證了理論分析的正確性。

1 拓撲結構與工作原理

    小電容電壓AC/AC變換器電路拓撲由交流電U_i源、準Z源串聯型網絡、濾波電容電感(C_f、L_f)和負載R組成，其中準Z源串聯型網絡由兩個準Z源網絡串聯而成，電路中雙向開關管S由全控型器件IGBT模塊面對面串聯組成，它可以使準Z源串聯型網絡的電感電流反向流動，從而使變換器對交流電壓構成一個回路，小電容器電壓應力的準Z源AC/AC電路拓撲如圖1所示。

    上圖AC/AC電路用嚴格互補的PWM脈沖作為控制信號^[12]，雙向開關S₂和S₃同步通斷且與S₁互補工作。由于全控型開關的開關頻率遠遠高于電源頻率，所以在一個開關周期內輸入可以近似看成直流，電感在一個電源周期內能量為零^[13]，一個周期內小電容應力變換器根據開關器件的關斷分為兩種工作狀態,由于C₁=C₂=C₃=C₄=C；L₁=L₂=L₃=L₄=L。則準 Z源網絡具有對稱性，由對稱和等效電路有：

    工作狀態2如圖3，S₁關斷，S₂和S₃導通，阻抗源網絡和電感L_f是串聯關系。電源和準Z源網絡給負載和濾波電感L_f充電，網絡的電容C₁～C₄將分別由電感L₁～L₄充電，根據KVL方程，此時電壓關系有：

    由上面的分析可以看出：準Z源AC/AC電路基本工作狀態分為兩種，狀態1是開關S₁導通，S₂和S₃關斷，狀態2是開關S₁關斷，S₂和S₃導通，這兩種狀態是這種變換器的兩種基本工作模式，一個開關周期中的穩定狀態。

2 升壓比及各電容器電壓關系推導

    在一個周期T內，開關器件的導通占空比為D，則導通時間為DT。關斷時間為(1-D)T。變換器的電感在一個周期內伏秒平衡。

    由式(1)(3)(4)可得：

    從式（11）可知，通過改變占空比電路可以是升壓型，也可以是降壓型。且升壓關系表達式和傳統準Z源相同。

    電壓增益與占空比關系如圖4所示，分析圖4可以得出，該類電路有兩個工作區。通過控制占空比D，可靈活地升高或降低AC/AC變流器的輸出電壓Uo，U_o既可與U_i同相位,也可以反相位，這取決于D大小，在同一占空比D的情況下，與傳統阻抗源變換器的升降壓能力相同。

3 與傳統阻抗源電路電容器電壓比較

    本文設計的AC/AC變換器與文獻[11]準Z源變換器電容器電壓與輸入電壓關系作比較，用Matlab繪制出兩者的同一占空比情況下電容器電壓與輸入電壓UC/Ui關系如圖5所示。

    由圖5可以明顯得出，在同一占空比D的情況下，本文設計變換器的電容器電壓應力明顯小于傳統阻抗源電路的電容器電壓應力，大大改善了電容器電壓應力。

4 仿真與實驗

    搭建和圖1相同的仿真電路，用仿真軟件Matlab/Simulink來仿真驗證，仿真參數：輸入電源峰值電壓U_m=24 V，L₁=L₂=L₃=L₄=40 μH，C_f=100 μF，C₁=C₂=C₃=C₄=100 μF，L_f=700 μH，負載R=20 Ω，開關頻率20 kHz。仿真給出了D=0.4和D=0.8不同占空比的情況下輸出電壓、電容器電壓和輸入電壓的關系。仿真波形如圖6、圖7所示。

    根據仿真電路搭建樣機電路，控制電路采用TMS320F2812產生六路PWM信號，其中兩路與另一路嚴格互補，驅動部分采用落木源KA962D驅動板，主電路全控開關管選用SGH80N60UFD Ultrafast IGBT，輸入交流電源電壓有效值16 V(峰值22.63 V)，用示波器測得了在D=0.4和D=0.8時候的升壓和降壓波形如圖8和圖9所示。

    升壓電路時如圖8所示(輸入10 V/格，輸出20 V/格，電容10 V/格）。

    降壓電路時如圖9所示(輸入10 V/格，輸出5 V/格，電容5 V/格）

    實驗波形結果驗證了理論分析和計算機仿真結果的正確性。

5 結論

    本文設計了一種小電容器電壓AC/AC變換器，它是在準Z源拓撲的基礎上設計的，主要研究了電路的拓撲結構和工作原理，通過仿真和實驗驗證了變換器輸入輸出電壓關系，證明了電路可以明顯降低電容器電壓應力的優點以及系統的穩定性和可靠性。

參考文獻

[1] 陳道煉.AC-AC變換技術[M].北京：科學出版社，2009.

[2] 喬歆慧，解大，張延遲.網絡參數對Z源AC/AC變換器輸出特性的影響[J].現代電子技術，2010，33(5)：164-167.

[3] 張超華，湯雨，謝少軍.基于Buck-Boost的AC/AC變換器設計[J].電工技術學報，2007，22(8)：52-56.

[4] 洪峰，孫剛，王慧貞，等.Buck型AC/AC直接變換器[J].電工技術學報，2007，22(8)：73-76.

[5] Peng Fangzheng.Z-source inverter[J].IEEE Trans on Industry Applications，2003，39(2)：504-510.

[6] 房緒鵬.單相電壓型Z源AC/AC變流器電路[J].電力電子技術，2006，40(6)：96-97.

[7] GAJANAYAKE C J，VILATHGAMUWA D M，LOH P C.Small-signal and signal-flow-graph modeling of switched Z-source impedance network[J].IEEE Power Electronics Letters，2005，3(3)：111-116.

[8] 王利民，錢照明，彭方正．Z源升壓變換器[J]．電氣傳動，2006，36(1)：28－29，32．

[9] Award El-Sabbe，Ashraf ZEIN EL-DIN．A novel AC voltage regulator[C].IEEE,IECON.98.1998：607－611．

[10] ANDERSON J，PENG F Z．Four quasi-Z-source inverters[C].Power Electronics Specialists Conference．Rhodes，Greece：IEEE，2008：15-19．

[11] 房緒鵬，許玉林，陳耀，等.單相電壓型準阻抗源AC-AC變換器[J].現代電子技術，2016，39(14)：147-150.

[12] SMITH K M，SMEDLEY K M.A comparison of voltage-mode soft-switching methods for PWM converters[C].Applied Power Electronics Conference and Exposition, 1996.Apec'96.Conference Proceedings 1996.Eleventh.1996：291-298.

[13] DING X，QIAN Z，YANG S，et al.A high-performance z-source inverter operating with small inductor at wide-range load[C].Applied Power Electronics Conference，APEC 2007-Twenty Second Annual IEEE.IEEE，2007：615-620.

作者信息:

房緒鵬，馬伯龍，趙  珂，趙  揚，閆  鵬

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島266590)