航空电源航空科技重点实验室学术年会(APSC’2006)论文集142单相四开关Z源AC-AC变换器汤雨张超华谢少军(南京航空航天大学航空电源重点实验室南京210016)Single-PhaseFourSwitchesZ-SourceAC-ACConvertersTANGYu,ZHANGChao-hua,XIEShao-jun(NanjingUniversityofAeronuaticsandAstronauticsNanjing210016China)Abstract:Anewfamilyofsingle-phasefourswitchesZ-sourceAC-ACconvertersareproposed,includingvoltage-fedandcurrent-fed.Comparedtotraditionalac-acconvertercircuits,theyhaveuniquefeatures:providingalargerrangeofoutputacvoltagewithbuck-boost,reversingormaintainingphaseangle,reducingin-rushandharmoniccurrent.Anewcommutationstrategyforsingle-phasefourswitchesZ-sourceAC-ACconvertersisproposedtosolvethecommutationproblemexistinginAC-ACconverters.Analysis,simulationandexperimentationaregivenonthevoltage-fedZ-sourceAC-ACconverter.Experimentalresultsverifiedtheanalysis.Keywords:AC-ACconverter;Z-source;Commutation摘要：本文提出了一种单相四开关Z源AC-AC变换器，它包括电压型与电流型两类。与传统脉宽调制AC-AC变换器相比，它具有如下特点：输出电压范围宽且可升可降，输出电压与输入电压可同相或反相，冲击和谐波电流小，可靠性高。针对AC-AC变换器中固有的开关管换流问题，提出了一种适用于单相四开关Z源AC-AC变换器的换流方案。以电压型单相四开关Z源AC-AC变换器为例，对其进行了理论分析、仿真和原理试验研究。实验结果证实了分析正确。关键词：AC-AC变换器；Z源；换流1.引言AC-AC变换器能实现交流电压的变换，目前最常用的结构是带直流环节的间接型AC-AC变换器[1]、采用高频交流环节的直接AC-AC变换器[2]和矩阵变换器[3]。间接型AC-AC变换器功率变换级数多、效率低，整流环节导致电网污染；高频交流环节AC-AC变换器电路结构和控制复杂，可靠性低；矩阵变换器电路结构和控制也偏复杂，其输出电压传输比低于0.866，且换流控制复杂。文献[4]提出了基于简单电路拓扑的AC-AC变换器，具有直接AC-AC变换、电路结构简洁、控制简单等优点，但各类拓扑均有其不足之处，如Buck电路仅能实现降压变换、Boost电路仅能实现升压变换、Buck-Boost输出电压与输入反相且输入输出电流纹波大、Cuk变换器输出电压与输入反相且结构较复杂等问题。文献[5]在此基础上引入了Z源环节，该变换器输出电压范围宽且可升可降，输出电压与输入电压可同相或反相，但仍存在如下问题：1.输入电压与输出电压不共地，因此并不能体现出输出电压与输入电压可以同相或反相的特点；2.该变换器中两个四象限开关切换时存在换流问题，需外加缓冲电路以保证安全换流；3.每个双向开关开通时，电流要流经由两个二极管和一个开关管组成的串联回路，即要流过三个功率器件，故通态损耗较大。本文在文献[5]的基础上，用双有源器件四象限开关代替单有源器件四象限开关，提出一种换流策略，以电压型单相四开关Z源AC-AC变换器为例，分析了其工作原理并进行了仿真分析与原理试验研究。汤雨等：单相四开关Z源AC-AC变换器2.单相四开关Z源AC-AC变换器工作原理2.1单相四开关Z源AC-AC变换器电路图1为电压型和电流型单相四开关Z源AC-AC变换器主电路图。这四种变换器都有四个单向功率开关，其中Q1、Q2反向串联构成一个四象限开关，Q3、Q4反向串联构成另一个四象限开关，以阻断双向电压并流过双向电流，D1、D2、D3、D4分别为Q1、Q2、Q3、Q4的体二极管。Z源网络由二个相同的电感和二个相同的电容构成，在AC-AC变换器中起储能和滤波的作用。单相Z源AC-AC变换器工作方式与DC-DC变换器类似，由Q1、Q2构成的四象限开关S1与由Q3、Q4构成的四象限开关S2工作于互补状态。S1的等效占空比定义为D，通过调节其占空比，可以得到所要求的输出电压。(a)输入输出共地的电压型(b)输入输出不共地的电压型(c)输入输出共地的电流型(d)输入输出不共地的电流型图1单相四开关Z源AC-AC变换器2.2单相四开关Z源AC-AC变换器的换流方案由于四象限开关的引入，单相Z源AC-AC变换器存在开关管之间的换流问题。以图1(a)电路为例，当...
