内容摘要：提出一种基于开关电容原理的新型AC/AC变换器，能实现变比为1/4或4的交流电压变换。该变换器只由电容和开关管组成，不含磁性元件，具有体积小、重量轻、功率密度高等优点。阐述了新型开关电容AC/AC变换器的拓扑结构及基本工作原理，并给出了等效电路模型。实验结果验证了理论分析的正确性。
关键词：变换器;开关电容;电压变换
1 引言
开关电容变换器是一种典型的无磁性元件变换器，它由电容和一定数量的开关组成，电容为主要储能元件，通过开关控制电容的充放电时间，从而实现电能的转换。与传统开关电源相比，开关电容变换器的重量轻、尺寸小、功率密度高。开关电容变换器的研究热点集中在非隔离的DC/DC领域，目前已研究出不同的电路结构应用于低功率低电压的DC/DC场合。文献首次将开关电容原理应用在AC/AC场合，提出了不同的电路拓扑结构，并设计出实验样机，实验结果验证了开关电容AC/AC变换器的可行性。
在此提出了一种基于开关电容原理的新型AC/AC变换器，可实现电压增益1/4或4，功率等级600 W，开关管开关频率50 kHz，并制造了一台实验样机，结果验证了该拓扑结构的正确性。
2 固定变比开关电容AC/AC变换器
将双桥臂和单桥臂拓扑结构进行组合，可实现电压增益为1/4或4的变换，两者结合共有3种拓扑结构：双-双、双-单、单-单。经理论分析和仿真研究发现，双-单拓扑结构效果最好。
图1示出所提出的开关电容AC/AC变换器，可实现电压增益为1/4。该电路中含有4个双向开关(V1～V4)、8个MOSFET(V5～V12)、9个电容(C1～C9)。C1可使C2和C3两端的电压保持平衡，C4可使C5和C6两端的电压保持平衡，C9可使C7和C8两端的电压保持平衡。
该变换器在一个开关周期中有两个工作状态：①C1，C2并联，C4，C5并联，C9，C7并联;②C1，C3并联，C4，C6并联，C9，C8并联。将输入电源ui与负载电阻Ro位置互换后，可实现电压增益为4的电路拓扑结构。在该电路拓扑结构中，当占空比D=0.5时，该变换器效率最高，并且静态调节功能最好。
3 工作原理分析
开关电容AC/AC变换器的原理分析可按照频率的不同分成两部分。首先是低频的分析，主要依据输入电压的频率分析该变换器的电压增益以及各功率器件两端的电压。其次是高频分析，主要依据变换器的开关周期分析电容的充放电状态。
3.1 低频分析
由文献得到电压增益分别为：GD=uo/ui=1/2，Gs=uL/uH=1/2。如图1所示变换器的电压增益由GD，GS相乘得到，即G=uo/ui=1/4。可见，该变换器工作在降压状态时电压增益为1/4，工作在升压状态时电压增益为4。根据这个结论，ui与输出电压uo的理论波形如图2所示，其中Upk表示ui的峰值。
3.2 高频分析
单桥臂和双桥臂变换器电路拓扑中，工作频率不同，开关管工作起始时问不同，假设实现电压增益为1/4或4的变换器工作频率相同，开关管工作起始时间也一致。该变换器一个开关周期中有2种工作状态，由MOSFET栅极驱动信号控制开关管的闭合与关断，在输入电压正半周期，工作状态如下：
状态1 V1，V3，V5，V7，V9，V11闭合，V2，V4，V6，V8，V10，V12断开。开始时C2，C5，C8放电，C3，C6，C7充电，当电路中电流降为零时，C2，C5，C8开始充电，C3，C6，C7开始放电直至电路中电流降为零。在这整个过程中C1和C4充电，C9放电，由ui将电能传输给电路。该状态结束时，V1，V3，V5，V7，V9，V11断开，V2，V4，V6，V8，V10，V12闭合。
状态2 V2，V4，V6，V8，V10，V12闭合，V1，V3，V5，V7，V9，V11断开。电路中的电能传输给ui，C3，C6，C7放电，C2，C5，C8充电，直到电路中电流降为零。其次，ui将电能传输给电路，C2，C5，C8开始充电，C3，C6，C7开始放电直至电路中电流降为零。在这整个过程中C1和C4放电，C9充电。该状态结束时，V1，V3，V5，V7，V9，V11闭合，V2，V4，V6，V8，V10，V12断开。
在ui的正半周期内，这2个工作状态组成了1个开关周期，状态2结束后，另1个开关周期从状态1开始。在ui的负半周期内，该开关电容变换器工作状态类似，只是电路中电流的方向相反。
3.3 等效电路分析
开关电容变换器的等效电阻定义为：
式中：Ui为ui的有效值。
由式(3)可知，C越小，变换器无功功率越小，功率密度越大。根据式(2)，(3)，开关电容AC/AC变换器的等效电路如图3所示。
由图3的等效电路可推算出：
Gv=uo/ui=(1/4)[Ro/(Ro+Req)] (4)
4 实验结果与分析
制作了一台600 W 220 V/55 V实验样机，实验参数：fs=50 kHz;C=10μF;MOSFET为IRFP460(Ron=190 mΩ/25℃)。由式(2)计算可得Req=1.5 Ω。
4.1 变换器前级电路实验分析
变换器前级电路ui为220 V/50 Hz，由于实际电压超过示波器探头耐压值，采用分压电路进行观测，测量结果如图4a所示。实际电压是示波器值的3倍。由图可知，ui=73.6x3 V=220.8 V，单桥臂输出电压uso=37.4×3 V=112.2 V，ui经单桥臂开关电容变换器后，实现了电压增益为1/2的变换。
在单桥臂电路中，C1，C2，C3两端的电压等于ui/2，实验测得C1两端的电压uC1波形如图4b所示。由图可知，uC1=111 V，与理论分析值一致。
4.2 变换器输出实验分析
在ui为220V/50Hz，不同负载下测量uo。输出端不接负载进行空载实验，uo见图5a(上)，uo有效值54.9 V。以200 W/220 V灯泡(131 Ω)为负载，uo见图5a(下)。由式(4)得uo=54.2 V;图中uo=54.1 V，与理论值接近，实现了电压增益为1/4的变换。以额定1 kW/50 Ω电阻为负载，uo见图5b(上)。由式(4)得uo=53.3 V;图中uo=53.2V，与理论值一致。以额定2 kW/20Ω电阻为负载，uo见图5b(下)。由式(4)算得uo=50.8 V;图中，当变换器过载工作时，uo=50 V，与理论值基本一致。
负载越大，电源内阻上的压降越大，电源输出电压就越小。由式(2)可知，增大fs，C可减小电源的等效内阻，从而提高变换器的效率。
所设计的实验样机只由电容和开关管组成，具有体积小，功率密度大等优点。
5 结论
依据开关电容原理，提出了一种新型的AC/AC变换器，可实现变比为1/4或4的交流电压变换，通过理论分析得出了该变换器的等效电路模型，依据其等效模型设计了一台实验样机，实验结果验证了理论分析的有效性。该变换器只由电容和开关管组成，大大减小了变换器的体积，在低功率低电压场合有着广阔的应用前景。
本文关键字：开关 变换电路，单元电路 - 变换电路
