一種準Z-源DC-DC變流器的研究＊

劉勝杰，吳苓芝

（青島理工大學(xué) 自動化工程學(xué)院，山東 青島 266520）

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，開關(guān)電源由于具有低成本、小型化、高效率、高可靠性和穩(wěn)壓范圍寬等優(yōu)點，在自動控制、航空航天及新能源等眾多領(lǐng)域得到了廣泛使用。傳統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)是Buck型或Boost型電路結(jié)構(gòu)，雖然它們發(fā)展了多年，且控制技術(shù)也己經(jīng)非常成熟，但是卻擺脫不了只能是單一結(jié)構(gòu)這一固有缺點，從而使得傳統(tǒng)的電路拓撲結(jié)構(gòu)在一些復(fù)雜的應(yīng)用場合受到了挑戰(zhàn)[1]。為了克服上述理論缺陷，參考文獻[1]提出了一種新型的拓撲—Z-源網(wǎng)絡(luò)，為功率變換提供了一種新的思路和理論。與常規(guī)的拓撲結(jié)構(gòu)相比，Z-源拓撲無需前級的boost或者 buck電路，增加了一個包含電感 L1、L2和電容器 C1、C2的Z-源網(wǎng)絡(luò)。Z-源拓撲由于采用了獨特的 X型 Z-源網(wǎng)絡(luò)電路而獲得了升/降壓、安全性能高、效率高（單級電路）等特點。Z-源網(wǎng)絡(luò)的加入對系統(tǒng)的動態(tài)性能有一定的影響，在開關(guān)電源的實際應(yīng)用場合，體積、重量、動態(tài)響應(yīng)和對負載的適應(yīng)性都是至關(guān)重要的因素。針對Z-源拓撲的一些不足，參考文獻[1]在常規(guī)Z-源拓撲的基礎(chǔ)上又提出了一種新型結(jié)構(gòu)——準Z-源拓撲。準Z-源拓撲和Z-源拓撲的基本原理大致相同。理論上來說，對于Z-源拓撲的各種控制方法和應(yīng)用都可以推廣到準Z-源拓撲上來。準Z-源拓撲作為一種全新的電力電子拓撲和理論，是對傳統(tǒng)意義上DC-DC拓撲的一個突破，是變流器研究的一個創(chuàng)新。

本文是在準Z-源逆變器的結(jié)構(gòu)上提出的，研究了這種拓撲結(jié)構(gòu)在DC-DC方面的應(yīng)用，并通過搭建實驗樣機來進行了驗證。這種準Z-源拓撲電路無須調(diào)整，加電即可工作，可以提供更寬的輸出電壓范圍，輸出電壓質(zhì)量高、結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、反應(yīng)靈敏且調(diào)壓精度高。

1 準Z-源變流器的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 準Z-源變流器的原理圖

準Z-源變流器由獨特的X型Z-源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，其主電路如圖1所示。其中的Z-源網(wǎng)絡(luò)由兩個相同的電感L1、L2和相同的電容 C1、C2構(gòu)成， 準 Z-源拓撲通過開關(guān)管的導(dǎo)通和閉合實現(xiàn)電壓的改變，這為主電路根據(jù)需要升壓或降壓提供了一種新的機理。

圖1 準Z-源變流器的原理圖

1.2 準Z-源變流器的等效電路

為了便于分析，假設(shè)準Z-源網(wǎng)絡(luò)為對稱網(wǎng)絡(luò)，即L1=L2，C1=C2。當準Z-源網(wǎng)絡(luò)工作在開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)時，電容放電供給負載，電源和電容同時為電感充電，續(xù)流二極管承受反向電壓而截止，其等效電路如圖2（a）所示。當準-Z源網(wǎng)絡(luò)工作在開關(guān)管關(guān)斷狀態(tài)時，電感放電，電源和電感同時為負載和電容供電，續(xù)流二極管正向?qū)ǎ涞刃щ娐啡鐖D 2（b）所示，負載可以根據(jù)升降壓的需要，并聯(lián)在C1或C2兩端。圖2所示的電路表示了只加一種負載的情況。

圖2 準Z-源變流器的等效電路圖

1.3 準Z-源變流器占空比的推導(dǎo)

假定在一個開關(guān)周期T中，開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)區(qū)間為T0，而開關(guān)管關(guān)斷狀態(tài)區(qū)間為 T1，則有 T=T0+T1，導(dǎo)通狀態(tài)的占空比為D=T0/T

當開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)T0期間，由基爾霍夫電壓定律和圖 2（a）可以得到電感 L1、L2在此狀態(tài)下的電壓：

其中，Vin為 Z-源網(wǎng)絡(luò)電源電壓，VL1、VL2為在導(dǎo)通狀態(tài)下Z-源網(wǎng)絡(luò)電感的電壓，VC1、VC2為在導(dǎo)通狀態(tài)下Z-源網(wǎng)絡(luò)電容的電壓。

當開關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)T1期間，由基爾霍夫電壓定律和圖 2（b）可以得到電感 L1、L2在此狀態(tài)下的電壓：

其中，Vin為 Z-源網(wǎng)絡(luò)電源電壓，VL1、VL2為在關(guān)斷狀態(tài)下Z-源網(wǎng)絡(luò)電感的電壓，VC1、VC2為在關(guān)斷狀態(tài)下Z-源網(wǎng)絡(luò)電容的電壓。

在穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下，開關(guān)電源的電感在一個周期中平均電壓為 0[2]，由式（1）、（2）可得：

由式（3）、（4）進一步推導(dǎo)可得：

式（5）、（6）的分子分母同時除以周期 T可得：

其中，Vout1、Vout2為并聯(lián)在 C1、C2兩端負載的電壓。

2 準Z-源變流器主電路設(shè)計

2.1 實驗樣機主電路原理圖

準-Z源變流器主電路原理圖如圖3所示。

圖3 準-Z源變流器主電路原理圖

主電路是準Z-源變流器電源能量的轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)了從輸入電源側(cè)到最終負載側(cè)上直流電壓的形式的變換[2]。為了更加靈活地與控制電路、輔助電路相連接，設(shè)計主電路時留了很多端口。這些端口的功能是：P1、P8為電壓測量端口或負載接入端口；P2為電壓源側(cè)輸出電流測量端口；P3、P5為負載電流測量端口；P4為電源電壓輸入端口，可以接直流穩(wěn)壓源或經(jīng)交流電整流濾波后的直流電壓源；P6為占空比可調(diào)的PWM波輸入端口；P7為功率MOSFET管源漏極波形測量端口；P9為光耦輸出波形測量端口；P10為給光耦提供直流電壓源。R1和C3并聯(lián)在功率開關(guān)管兩端構(gòu)成RC箝位吸收電路對其進行保護，R2和R3都為保護電阻。

2.2 電感參數(shù)的設(shè)計

準Z-源網(wǎng)絡(luò)的電感在開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)中儲能，而在開關(guān)管關(guān)斷狀態(tài)中釋放電能。如果準Z-源網(wǎng)絡(luò)電感的電感量太小，儲能不夠，就會出現(xiàn)關(guān)斷狀態(tài)下的斷續(xù)電流模式，使得準Z-源變流器從原有的連續(xù)狀態(tài)進入斷續(xù)狀態(tài)，增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜度，而且這種斷續(xù)電流模式也使輸出電壓產(chǎn)生畸變，從而影響到輸出電壓的質(zhì)量?？紤]到準Z-源網(wǎng)絡(luò)的電感是直流電感，因此在設(shè)計時對直流電感上的電流紋波加以控制也是必要的。因此，從可靠、安全和抑制Z-源網(wǎng)絡(luò)電感電流紋波等因素考慮，應(yīng)選擇足夠大的電感。但是，從工程設(shè)計的角度出發(fā)，電感的增大會導(dǎo)致?lián)p耗、體積和重量的增加[3]。因此，設(shè)計Z-源網(wǎng)絡(luò)電感的原則為在滿足運行特性及穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上盡量減小Z-源電感的取值。

電感值越大，紋波電流越小，線路的損耗就會減小，但電感損耗和體積都會增大。通常電感上的紋波電流選擇為額定電流的15%～25%，本文取值為20%。根據(jù)電感電流紋波設(shè)計的電感值的計算公式有：

其中，D為占空比，f為頻率，IAVG為穩(wěn)態(tài)下電感電流的平均值。

開關(guān)管的工作頻率 f=20 kHz，占空比 D=0.2，IAVG=1.59 A，r=0.2，以準 Z-源網(wǎng)絡(luò)的降壓情況 VL=8 V為例，根據(jù)以上公式可得 L1=L2=251.12 μH。

2.3 電容參數(shù)的設(shè)計

準Z-源網(wǎng)絡(luò)電容的作用主要是吸收電流紋波和平滑電壓。選取時應(yīng)該在滿足耐壓和電壓紋波的同時，選取耐溫升、ESR小的電容。電容值不能太小，否則需要更大的電感來滿足衰減的需要[3]。電容C可以通過下式計算：

當準Z-源變流器工作在通路狀態(tài)時，IC=IL；工作在開關(guān)管關(guān)斷狀態(tài)時，IC=IIN-IL。假設(shè)準Z-源網(wǎng)絡(luò)的電感較大，電感上的電流紋波較小，且在系統(tǒng)開關(guān)頻率足夠高時，電感電流可近似認為恒定為IAVG。如果采用簡單控制，準Z-源網(wǎng)絡(luò)中的電容電壓的高次諧波的脈動的頻率為開關(guān)頻率的2倍，即Δt=，可得：

由式（13）和實驗室現(xiàn)有元件，可取容量為 470 μF、耐壓為50 V的鋁電解電容，得出紋波電壓r為16.91 mV，滿足鋁電解電容紋波電壓一般在10 mV～100 mV之間的要求。

3 仿真及實驗結(jié)果分析

首先使用Saber軟件仿真所提出的準Z-源變流器，然后通過具體的實驗樣機實現(xiàn)這一拓撲，以進一步驗證它的正確性。

3.1 準Z-源變流器的仿真

根據(jù)準Z-源拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建仿真電路，假設(shè)電源電壓為 24 V，電感 L1=L2=250 μH，電容 C1=C2=470 μF，開關(guān)管的工作頻率 f=20 kHz，占空比 D=0.2，并聯(lián)在 C1和C2兩端的負載R1=10 Ω，R2=50 Ω。仿真電路如圖4所示。

圖4 準Z-源變流器的仿真電路

圖5(d)所示為占空比可調(diào)的PWM波，控制MOSFET管的導(dǎo)通與關(guān)斷。通過改變圖4中constant值可以得到電路所需的占空比，進行不同情況的轉(zhuǎn)換。由式（7）、（8）計算可得輸出電壓的理論值，降壓達到8 V時其仿真結(jié)果如圖5（a）所示，升壓達到 32 V其仿真結(jié)果如圖 5（b）所示。

圖5 準Z-源變流器的電壓仿真分析波形

3.2 準Z-源變流器的實驗樣機

控制器是電源控制電路的核心，本文選用MSP430作為控制器。MSP430系列微處理器是美國德州儀器生產(chǎn)的一種16 bit超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器。它將多個功能不同的模擬電路模塊、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上以滿足不同的需要。其主要特點有：（1）超低功耗，電源電壓采用1.8～3.6 V低電壓，在活動模式時耗電 250 μA/MIPS，內(nèi)設(shè)低電壓監(jiān)測電路可以關(guān)閉暫時不使用的內(nèi)部功能模塊。（2）豐富的片上外圍模塊，看門狗（WDT）定時器，模擬比較器 A，定時器 A（Timer_A3帶 3個捕獲/比較寄存器和 PWM輸出的 16 bit定時器），定時器 B（Timer_B7帶7個捕獲/比較寄存器和PWM輸出的 16 bit定時器），定時器內(nèi)部電路如圖6所示。

圖6 MSP430定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

由于MSP430的超低功耗和強大的數(shù)據(jù)處理能力，可以有效地消除電路引起的誤差，抑制干擾信號，提高輸出電壓的質(zhì)量，控制電流的精度，在同類產(chǎn)品中有較高的性價比，因此本設(shè)計選用它作為控制器[4]。

在前面理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一臺功率為50 W的實驗樣機，電源電壓24 V由直流穩(wěn)壓源供給，光耦為TLP250驅(qū)動開關(guān)管，功率 MOSFET管為 IRF540N，二極管為SR520，其他采用仿真時的參數(shù)。

表1 實驗樣機采集的數(shù)據(jù)

本文提出的準Z-源DC-DC變流器與傳統(tǒng)的Buck型或Boost型 DC-DC變流器相比具有兩大優(yōu)點：（1）可以在相同占空比時提供比Boost型拓撲更高的輸出電壓，同時能得到比Buck電路更低的輸出電壓；（2）準Z-源網(wǎng)絡(luò)由于采用獨特的X型Z-源網(wǎng)絡(luò)，把Buck型或Boost型電路得特點集成到一起，電路設(shè)計硬件簡單，性能穩(wěn)定。在保證高精度的前提下成本低、效率高，能夠很好的穩(wěn)定工作，可以適應(yīng)一些的特殊需要，具有較好的推廣應(yīng)用價值。

[1]ANDERSON J，PengFangzheng.FourQuasi-Z-source inverters[C].IEEE Power Electronics Specialists Conference，PESC′08， 2008：2743-2749.

[2]MANIKTALA S.精通開關(guān)電源設(shè)計[M].王志強，等，譯.北京：人民郵電出版社，2008.

[3]張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計（修訂版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[4]何希才.新型開關(guān)電源設(shè)計與應(yīng)用（第一版）[M].北京：北京科學(xué)出版社，2001：19-34.