子模块DRIVEN用于产生控制T1至T4的驱动信号,如图5所示,子模块OCC用于实现单周控制,如图6所示。
图5 T1至T4的驱动信号子模块DRIVEN
图6 单周控制子模块OCC
OCC由积分器1/S、比较器Compa,RS触发器,时钟脉冲clk等组成。积分器输入U0取自4个开关管公共联接点,它在Q脉冲到来,T1或T2开通时开始积分,其中开关Switch2 是用于控制电压正、负半波的,负半波信号Nh为“1”时,积分器输出经反号器仍为正值,当积分值大於给定参考值Vref,(这里用的是单相全波整流值)比较器Compa有输出,复位RS触发器时,(T1或T2关断)由!Q信号控制开关Switch将积分值清零,直到下一个时钟脉冲到来。
5 仿真实例
单相交流正弦电源220V,50Hz,滤波用电感L=2mH,电容C=90μF,负荷电阻R1=5Ω, R2=10Ω,开关频率fs=1200Hz。
T1,..T4的IGBT元件参数:Ron=0.001Ω,Lon=1μH,通态压降 =1V。吸收电路参数:Rs=100kΩ, Cs=∞。仿真首先从稳态开始,U1幅值等于,50Hz负载电阻为R1+R2=5+10=15(Ω)保持恒定,单周控制频率fs=1200Hz,再给出不同的参考值Ref [反比于开关频率,其范围为从(1→7)×10-4],可以得到不同的负载电压U2,其波形如图8(a)所示,基本正弦,但存在一些与开关频率的谐波,后者还取决于所用的滤波电路参数。图7表示了在不同参考值Ref下的负载电压的幅值U2m,可以看出两者基本上是线性关系,在附录A中给出了不同占空比d斩波下,AC/AC转换器输出电压的计算方法。
图7 负载的电压幅值U2m和参考值Ref的关系
应该指出,用本方法变压时,应尽量避免用在占空比d=0和d=1的两端,以免因控制不精确而出现非正常的、混乱的情况。图8是假定U1=220V,50Hz, 参考值Ref=0.0003,在t=0"时,接入负荷(负荷电阻15Ω),当t=0.03"时负荷突增(负荷电阻从15Ω突减至Ω5)下、单周控制的单相AC/AC转换并联式电路中各电气量变化的仿真结果。图8(a)为电源电压U1,电流I1和负荷电压U2的波形。可看出U1的幅值为311V,这里负荷电压U2的幅值约调整至180V,由于滤波参数不理想,负载电压存在一些与开关频率有关的谐波。电源电流I1基本正弦。在t=0.03"时负荷突增,U2有明显的下降。图8(b)是负荷电压U2和电流I2的波形,基本正弦,在t=0.03”时负荷电流突增导致U2下降。图8(c)、图8(d)分别是开关管T1、T3的集电极—发射极间电压Uce,和流过开关管的电流iT。
可看出在正弦电压正半波时,开关管T1和T3的驱动信号作用下导通,均有电流iT流过,两者在开关周期Ts内是互补的,而加在T1管上的Uce电压是正向脉冲型,因T1导通时只存在可忽略的导通电压降。注意这时加于T3的Uce电压是脉冲型的,但对T3讲,却是反向的。为清楚起见,图8(c)的右下角放大了Uce和iT的关系,表明iT有值瞬刻Uce为零值。
在正弦电压负半波时T2、T4导通,这时T1、T2无驱动信号Ube=0,不导通,但加在它们上的Uce仍存在,只是方向相反。
开关管T2,T4上的Uce, iT波形类似,不再重复。
图8(e)上部为电源电压U1,和滤波电感L上的电压UL,可看出这里UL小于U1,在允许范围内。图8(e)下部为用于采样的T1,T3联结点的电压U0。图8(f)是单周控制单元OCC的积分器输出电压Uint的波形,以及用于控制输出电压波形的由参考值Ref和全波整流波形产生的,比较器另一个输入,即给定参考电压Uref的波形。
6 结论
⑴利用全控型开关元件IGBT实现单相电压AC/AC转换器变压(这里是降压)是可能的,并联型电路的主电路只需要二只带双IGBT的模块,及滤波用电感和电容,控制电路也较简单。
负荷电压基本正弦,但带有与开关频率fs(显然fs愈高谐波愈小)有关的谐波,这里对正确选择滤波器参数要求很高。负荷电压大小与参考信号基本上是线性关系,范围应在(10-90)%内,以避免斩波控制中占空比d太靠近1或0引起的混乱。
⑵并联型和串联型AC/AC转换所得结果基本相同,串联型的T1至T4开关管必需带反向二极管,T1至T4在不工作的半波,集电极、发射极间无反向电压。并联型的T1至T4无须反向二极管,但在不工作的半波,集电极、发射极间承受反向电压。