一种准Z源变换器的分析与研究

石方园，焦文良

(黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，哈尔滨 150022)

0 引 言

随着化石燃料的日益枯竭和环境污染问题的不断恶化，新能源发电越来越受到人们的关注，其中以风能和光伏发电最为突出。近年来，新能源发电量占比和装机容量都呈现快速增加的发展趋势[1]，其次是电动汽车的不断发展。然而无论是风机还是光伏电池所形成的首端电压都较低，同样燃料电池具有输出电压低且波动范围大、输出电流大的特点，因此将这些设备作为供电设备时需添加高增益的升压变换器[2]。

在开关电源领域内，升压变压器凭借其在转换效率、体积、结构、稳定性等方面具有十分突出的特性，使得对其研究具有深远意义[3]。其中非隔离型的升压变换器由于电路中不存在高频隔离变压器，因而使得这类变换器的成本低、体积更小、便于集成化生产，其中非隔离型的DC/DC升压变换器是研究的热门[4]。

文献[5]提出一种Z源阻抗网络，该阻抗网络具有升降压、高升压比等优点，且对于系统的负载类型没有要求。Quasi-Z源是在Z源网络基础上改进得到的，因而仍然具有Z源网络的优点。为进一步提高准Z源变换器的升压能力，该文对一款基于电感、电容器件组成的升压单元的新型Quasi-Z源变换器进行了分析与研究，通过试验样机得出该变换器进一步提升了传统Z源变换器的电压增益，适合应用在燃料电池等同类低输入但需要高输出的场合。

1 电路结构

1.1 传统Quasi-Z源拓扑

传统Quasi-Z源变换器拓扑结构如图1所示，在稳态时根据电路的工作原理可分析出其输入、输出电压的关系，即电路增益B为

(1)

式中：Ui为输入电压；Uo为输出电压；d为开关管导通占空比。

1.2 新型Quasi-Z源拓扑

考虑到电感电容在储能之后相当于一个“电源”的效果，与输入电源一起作用于外加负载时即能实现输出电压的提升，因而考虑在传统Quasi-Z源拓扑结构中引入电感电容组成的电压提升单元。新型Quasi-Z源变换器拓扑结构如图2所示[6]。

图2 新型Quasi-Z源变换器拓扑Fig.2 New Quasi-Z source topology

2 电路分析

2.1 工作原理

为方便对电压关系进行分析，先做出如下假设：

1)电路中所有的器件均是理想器件，则元件自身不产生损耗[7]。

2)所有电感电流无断续，即变换器工作在连续模式(CCM模式)[8]。

3)所有电容两端的电压值在整个周期中恒定不变[8]。

4)输出电压的纹波小，可以忽略不记[9]。

新型Quasi-Z源变换器的工作原理与传统Quasi-Z源变换器一样，由于电路中只有一个开关管，所以电路在电感电流CCM模式下只有导通、关断2种状态[10]，记导通时间为dT，关断时间为(1-d)T。开关管工作在导通状态如图3所示，此时二极管D2、D3承受反压关断，电源Ui和电容C1、C2、C3给电感L1、L2、L3充能，电感L4、电容C4给负载Ro充能[10]。

开关管工作在关断状态如图4所示，此时二极管D1承受反压关断，电路中电源Ui和L1给电容C1充能，L2给电容C2充能，L3给电容C3充能，电源Ui和电感L1、L2、L3给电感L4、负载Ro、电容C4充能。

图3 开关管导通Fig.3 Switch on

图4 开关管关断Fig.4 Switch off

2.2 电压关系分析

在进行电压关系分析时只需对图3、图4分别列写KVL、KCL方程。

由图3列写KVL方程，则有

(2)

式中：iL为电感电流；Ui为输入电压；VC为电容电压；L为电感值。

由图3列写KCL方程,则有

(3)

式中：Ro为负载阻值；C为电容值。

由图4列写KVL方程，则有

(4)

由图4列写KCL方程，则有

(5)

电路运行稳定后，根据电感伏秒平衡关系，即在一个开关周期内，电感电压对时间的积分为0[11]，则有

(6)

由式(5)可得电容C1、C2、C3的电压为

(7)

根据电路的关系则有VC4=Uo，则有输入、输出的电压关系，即电路增益B为

(8)

3 参数计算

电感电流纹波过大会造成开光管和二极管的电流应力变大，不仅会使得这些器件的损耗增大，而且电感大小的选取影响电路的动态响应[12]。一般用电感电流平均值表示电感电流纹波XL%(该值一般所取范围为0.15～0.4)，满足算式[8]：

(9)

式中：ΔiL为电感电流的波动峰值；IL为电感电流的平均值。

由于电路元件为理想器件，那么整个电路没有功率损耗，即有

Ui·Ii=Uo·Io

(10)

则

(11)

(12)

根据一个周期内电容安秒平衡关系则有电感L2、L3电流表达式为[11]

(13)

则按照式(1)、(6)、(8)、(10)～(12)可得出电感的参数表达式为

(14)

式中：f为开关频率。

电容电压的纹波与电感电流纹波定义类似，按相同步骤可得电容的参数表达式为

(15)

式中：XC%为电容电压波动的相对值，一般取值范围为0.01～0.02[8]。

4 特性分析

4.1 电压增益对比

根据式(1)、(8)利用Matlab绘制出新型Quasi-Z变换器和传统准Z源电路增益B的函数对比图形如图5所示。

图5 增益函数图形Fig.5 Gain function graph

从图5中看出，新型Quasi-Z源变换器与传统Quasi-Z源变换器相比的最大优势在于当开关管的导通占空比大于0.2后，在同等占空比下，新型Quasi-Z变换器的增益明显高于传统准Z源电路。

4.2 输出电流纹波

在开关管导通期间，电感L4的两端电压一直被钳位为VC4，则根据电感储能原理可以得到所提新型Quasi-Z变换器的输出电流纹波值ΔiL为[12]

(16)

根据式(7)可得

(17)

4.3 主要开关元件应力分析

根据开关管关断时的电路模态可以分析得出开关管的电压被钳位为VC1+VC2+VC3，根据式(7)可得开关管的电压应力为

(18)

开关管导通期间二极管D2、D3处于关断状态，根据工作状态分析有

(19)

在开光管关断期间二极管D1处于关断状态，根据工作状态分析有

(20)

通过上述元件的电压应力分析可知其大小以输入电压Ui为归一化量，为选择合适的器件提供依据[12]。

5 仿真验证

为验证方案可行性，利用Matlab/Simulink进行仿真模型电路搭建，仿真参数设定均考虑一定的裕量，具体参数设定如表1所示。

表1 仿真参数

图6(a)是为输出电压与占空比的波形图，根据式(8)可知，当输入电压Ui=12 V，占空比d=1/3时，此时通过计算得到的理论计算值Uo=36 V，仿真输出电压Uo通过模拟示波器显示输出为36.2 V，与理论值一致，即可说明在较小占空比下可以实现低输入、大输出的效果[12]。图6(b)、(c)分别为电容C1、C2、C3、C4两端电压，模拟示波器的显示值分别为17.83 V、18.17 V、18.17 V、36.01 V，与占空比d=1/3时理论计算值在忽略误差情况下基本一致，因此可见前文对电路的分析正确且系统表现出较好的升压特性。

图6 仿真波形Fig.6 Simulation waveform

图7 试验波形Fig.7 Experimental waveform

为进一步验证方案可行性，在实验室完成小功率样机电路搭建，试验参数与仿真参数一致。

图7(a)、(b)为输出电压、输入电压与占空比的波形图，考虑到单片机的驱动能力有限，采用了EG3002驱动芯片，其供电电压为12 V。从图中可以看出PWM信号幅值为12 V，根据式(8)可知，当输入电压为Ui=12 V，占空比d=1/3时，此时通过计算得到的理论计算值为Uo=36 V，实际电路的输出电压为35.3 V，且电压脉动峰峰值在500 mV以内。图7(c)、(d)、(e)、(f)为别为电容C1、C2、C3、C4两端电压，分别是18.2 V、19.9 V、19.9 V、35.4 V，除了C2、C3的误差较大外，其余电压关系均与理论分析一致[13]，故在忽略误差情况下同理论值一致，因此可见前文对电路的分析正确且系统表现出较好的升压特性。

6 结 语

该文主要论述一种新型Quasi-Z源变换器的工作原理，根据工作原理对输入输出的电压关系进行推导，完成电路主要元器件的参数计算推导，利用Matlab/Simulink完成仿真模型电路搭建，并在实验室完成实验样机搭建。仿真和试验样机结果表明，所提出的新型Quasi-Z源方案具有可行性，系统具有较高的升压能力。