1  引 言

 AC/AC交流变换技术的种类繁多,按照有无中间直流环节，可分为交—直—交型和交—交型两大类；按照交流用电负载与输入交流电源有无电气隔离以及电气隔离元件的工作频率，AC/AC交流变换技术又可分为非隔离型、低频环节和高频环节三大类^[1]。

 在同频变换和不需要电气隔离的应用场合，相比于其它AC/AC交流变换技术，在电路拓扑、体积重量、音频噪声、控制策略、变换效率、输出电压波形质量、动态性能及可靠性等方面，脉宽调制AC/AC变换器[1-5]具有明显的综合优势。

 本文在文献^[5]的基础上详细分析了三相Boost型AC/AC交流变换器的工作原理及控制策略，对其进行了仿真研究，并研制了一台原理样机，仿真及实验结果验证了理论分析的正确性及控制策略的可行性。

2   电路结构与工作原理

 图1为三相Boost型AC/AC交流变换器的电路结构[5]，其中S1和S4，S2和S5，S3和S6为三对功率开关管，每对开关管在各自的1/3个基波周期内一直保持导通状态，在剩余2/3周期内二者高频互补开通，开通时间分别为D•TS、(1－D)•TS，D为占空比，TS为开关周期。为便于分析，假定：① 所有器件均为理想元件；② 三相电路参数对称，有Lfa= Lfb= Lfc，Cfa= Cfb=Cfc，负载可为三相对称星形负载或三相对称及不对称三角形负载；③ 滤波电容的容量足够大，其电压高频纹波可忽略不计。

图1 三相 Boost型AC/AC交流变换器

上图中二极管为中间同直线，‘S’改为正体‘S’

 假设输入相电压ua、ub、uc 为三相正弦波对称，即：

其中Ui为输入相电压的有效值，ω=2f，为输入电压角频率，f为输入电压频率。

 三相Boost型AC/AC交流变换器的输出线电压与相电压之间满足如下关系：

 下式的‘’改为正体

 三相Boost型AC/AC交流变换器，在一个高频开关工作周期内存在三种不同的工作模式，它们分别是：功率传输模式、续流模式及死区模式。

 以C相输出电压值uoc小于其它两相输出电压值（uoa与uob）、A相输入电流值ia大于零、B相输入电流值ib小于零、C相输入电流值ic小于零为例，分析该电路在上述三种不同模式下的工作状态(电压和电流的参考方向如图1所示)。当uoc小于其它两相输出电压值时，C相连接的一对开关管S3和S6恒通，其它两对开关管高频互补开通。

⑴ 功率传输模式

图2 功率传输模式

 上图中‘S’改为正体‘S’

 电路的功率传输模式如图2所示。功率开关管S1、S2、S3、S6导通，S4、S5截止。实线表示电流流经的路线，虚线表示电流未流过的路线，线路中箭头表示电流的实际方向(下文同)。图中B相输入电流ib经B相电感Lfb、B相电源ub、A相电源ua、A相电感Lfa、开关管S1的反并联二极管、负载（Za及Zb）和滤波电容（Cfa及Cfb）、开关管S2流通；C相输入电流ic经C相电感Lfc、C相电源uc、A相电源ua、A相电感Lfa、开关管S1的反并联二极管、负载（Za及Zc）和滤波电容（Cfa及Cfc）、开关管S3流通。此时，该三相Boost型AC/AC交流变换器等效为两个独立的单相Boost型AC/AC交流变换器功率传输模式的组合。

⑵ 死区模式

图3 死区模式

 上图中‘S’改为正体‘S’

 电路的死区模式如图3所示。功率开关管S3、S6导通，S1、S2、S4、S5截止。图中B相输入电流ib经B相电感Lfb、B相电源ub、A相电源ua、A相电感Lfa、开关管S1的反并联二极管、负载（Za及Zc）和滤波电容（Cfa及Cfc）、开关管S3、开关管S6、开关管S5的反并联二极管流通；C相输入电流ic经C相电感Lfc、C相电源uc、A相电源ua、A相电感Lfa、开关管S1的反并联二极管、负载（Za及Zc）和滤波电容（Cfa及Cfc）、开关管S3流通。此时，该三相Boost型AC/AC交流变换器等效为两个独立的单相Boost型AC/AC交流变换器死区模式的组合。

⑶ 续流模式

图4 续流模式

 上图中‘S’改为正体‘S’

 电路的续流模式如图4所示。功率开关管S3、S4、S5、S6导通，S1、S2截止。图中B相输入电流ib经B相电感Lfb、B相电源ub、A相电源ua、A相电感Lfa、开关管S4、开关管S5的反并联二极管流通；C相输入电流ic经C相电感Lfc、C相电源uc、A相电源ua、A相电感Lfa、开关管S4、开关管S6的反并联二极管流通。此时，该三相Boost型AC/AC交流变换器等效为两个独立的单相Boost型AC/AC交流变换器续流模式的组合。

 由以上分析可知：在uoc小于uoa及uob的1/3基波周期时间内，三相Boost型AC/AC交流变换器等效为两个独立的单相Boost型AC/AC交流变换器的组合。同理，在uoa或uob相对最小时亦然。

3   控制策略

 图5为三相Boost型AC/AC交流变换器的控制原理框图。输出相电压uoa、uob、uoc两两进行比较后得到控制信号Kab、Kbc、Kca，它们分别经反向器得到Knab、Knbc、Knca，然后再通过两两组合进行逻辑与后得到控制信号Ksa、Ksb、Ksc；输出线电压采样信号uof和基准线电压uoref分别经绝对值电路后进行比较，然后通过PI调节器后得到误差放大电压信号ue，再与三角载波进行比较，得到高频PWM控制信号Kp, Kp反相得到信号Knp；它们分别与控制信号Ksa、Ksb、Ksc进行逻辑或后最终得到功率开关管S1～S6的控制信号K1～K6。

图5 控制原理框图

4   仿真与实验

 为了验证三相Boost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，对该变换器进行了如下仿真和实验研究。

4.1  仿真波形

 仿真参数为：输入线电压的有效值为110 V，即输入相电压的有效值Ui=110V/1.732=63.5 V；基准输出线电压的有效值uoref=220 V；开关管采用理想器件；输入电压频率f=50 Hz；开关频率fs=50k Hz；电感Lfa=Lfb=Lfc=800 µH；滤波电容Cfa=Cfb=Cfc=10  µF。

 图6是开关管S1的控制信号K1及漏源电压uds1的仿真波形。从波形可以看出，开关管S1在1/3个基波电压周期内恒通，在剩余2/3周期内高频导通；图7(a)是输入线电压uiab、uibc、uibc的仿真波形；图7(b)为输出线电压uoab、uobc、uoca的仿真波形。

图6  S1的控制信号K1和漏源电压uds1的仿真波形

图7 三相Boost型AC/AC交流变换器的仿真波形：

  (a) 输入线电压uiab、uibc、uibc的仿真波形；
          (b) 输出线电压uoab、uobc、uoca的仿真波形。

4.2  实验结果

 制作了一台实验原理样机，开关管采用MOSFET IRFP460。实验参数为：输入线电压的有效值为110 V，即输入相电压的有效值Ui=63.5 V；基准输出线电压的有效值uoref=220 V；输入电压频率f=50 Hz；开关频率fs=25kHz；电感Lfa=Lfb=Lfc=806 µH，滤波电容Cfa=Cfb=Cfc=4.4 µF。实验波形如图8所示。

 图8(a)为开关管S1两端的驱动信号ugs1及漏源电压uds1的实验波形，图8(b)为输入线电压uiab、uibc、uibc的实验波形，图8(c)为输出线电压uoab、uobc、uoca的实验波形。从实验波形可以看出，在各自1/3基波周期内开关管恒通，在剩余2/3周期内开关管高频导通。该变换器输出的线电压波形三相正弦对称，与仿真结果及理论分析一致。

图8 三相Boost型AC/AC交流变换器的实验波形：
      (a) S1的驱动信号ugs1和漏源电压uds1的实验波形；
      (b) 输入线电压uiab、uibc、uibc的实验波形；
      (c) 输出线电压uoab、uobc、uoca的实验波形。

5  结 论
　　 ⑴　在各自的1/3基波周期内，三相Boost型AC/AC交流变换器可看成是两个独立的单相Boost型AC/AC交流变换器的组合。通过对三相输出电压中电压最小相的控制，可确定各开关管的工作状态。
　　 ⑵　三相Boost型AC/AC交流变换器在一个高频开关周期内存在功率传输、续流、死区三种不同的工作模式。
　　 ⑶　仿真和实验结果一致，验证了三相Boost型AC/AC交流变换器理论分析的正确性及控制策略的可行性。该变换器可以接星形对称负载、三角形对称及不对称负载，具有广泛的应用范围。

参考文献
　　陈道炼. AC-AC 变换技术[M]. 北京：科学出版社，2009.
　　H.Krishnaswami, V.Ramanarayanan. Control of high frequency AC link electronic transformer [J]. IEE Proceedings of Electric Power Applications, 2005, 152(5):509-516.
　　林渭勋. 现代电力电子电路[M]. 杭州：浙江大学出版社，2002.
　　Luo Fanglin, Ye Hong. DC-Modulated Power Factor Correction AC-AC Converters [C]. Proceedings of 2nd IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA), Harbin, China: IEEE, 2007: 1477-1483.
　　B.H.Kwon, B.D.Min, J.H.Kim. Novel topologies of AC chopper [J]. IEE Proceedings of Electric Power Applications, 1996, 143(4): 323-330.

作者简介
　　 翁振明（1986-），男，江苏昆山人，硕士研究生，研究方向为电力电子变换及其控制技术。