多種阻抗網(wǎng)絡(luò)升壓變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

陸 灝，武保東

(1.安徽省人防建筑設(shè)計研究院，安徽 合肥 230001；2.安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

近年來，可再生能源發(fā)電對可靠和高性能的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的需求不斷增加。如光伏發(fā)電系統(tǒng)，燃料電池，和小型風(fēng)力渦輪機等可再生能源通常由于輸出電壓低，其發(fā)展受到限制。因此，需要高升壓比變換器提高分布式電源的輸出電壓來連接公用電網(wǎng)[1]。傳統(tǒng)Boost變換器升壓能力受到系統(tǒng)穩(wěn)定性和寄生參數(shù)的制約，使用范圍有限。為了獲得較高電壓增益，開關(guān)電感、開關(guān)電容、磁集成、阻抗網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)運用到升壓變換器中。文獻(xiàn)[2]首次提出Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)升壓變換器，阻抗網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，效率高，相比傳統(tǒng)Boost電路升壓能力更強，Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用于DC-DC、DC-AC、AC-AC功率變換器。為提高Z源升壓能力，克服電容電壓應(yīng)力過大，輸入電流斷續(xù)，啟動沖擊電流等問題，國內(nèi)外學(xué)者相繼提出了多種改進(jìn)拓?fù)渥儞Q器來提高Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)的性能。如文獻(xiàn)[3]提出了準(zhǔn)Z源，文獻(xiàn)[4]設(shè)計研究了五電平中點鉗位式Z源逆變器，提高了直流電源的利用率；文獻(xiàn)[5]基于開關(guān)電感Z源研究了三電平中點鉗位逆變器。此外，阻抗網(wǎng)絡(luò)中引入耦合電感，通過靈活改變耦合電感匝數(shù)比能夠獲得更高的電壓增益，改善變換器的性能。

文獻(xiàn)[6-7]先后比較了多種Z源逆變器的性能及應(yīng)用背景分析，具有一定參考價值，但不夠全面，缺少對耦合電感阻抗源升壓變換器的分析與比較。本文結(jié)合國內(nèi)外對阻抗源網(wǎng)絡(luò)升壓變換器研究成果，通過理論分析及仿真波形研究，對比多種阻抗源升壓變換器性能，從而挑選出性能較優(yōu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1 Z源拓?fù)渥迳龎鹤儞Q器拓?fù)浼疤匦苑治?/h2>

1.1 傳統(tǒng)Z源升壓變化器

傳統(tǒng)Z源升壓變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)對稱，存在以下關(guān)系。

圖1 傳統(tǒng)Z源升壓變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

C1=C2=C，L1=L2

(1)

由于Z源阻抗網(wǎng)路是對稱的，因此

VC1=VC2，VL1=VL2

(2)

傳統(tǒng)Z源升壓變換器有開關(guān)導(dǎo)通和開關(guān)斷開兩種工作狀態(tài)，等效電路圖如圖2所示。

(a)

(b)圖2 傳統(tǒng)Z源升壓變換器工作狀態(tài)等效電路圖

開關(guān)導(dǎo)通工作狀態(tài)如圖2(a)所示。開關(guān)S導(dǎo)通，二極管D1和D2截止，電容C1和電容C2分別向電感L1和L2充電。此時有

VC=VL，VO=0

(3)

開關(guān)關(guān)斷工作狀態(tài)如圖2(b)所示，開關(guān)S關(guān)斷，二極管D1導(dǎo)通，電容C1和C2分別由電源經(jīng)電感L1和L2充電，此時有

VL=VDC-VC

(4)

VO=VS=VC-VL=2VC-VDC

(5)

設(shè)開關(guān)S導(dǎo)通的時間為T1，關(guān)斷時間為T2，根據(jù)電感電壓在一個周期內(nèi)伏秒平衡關(guān)系得

(6)

(7)

(8)

(9)

其中d為導(dǎo)通占空比，B升壓因子。從式(9)可以看出，隨著占空比d(0

1.2 準(zhǔn)Z源升壓變化器

兩種準(zhǔn)Z源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，準(zhǔn)Z源采用了和傳統(tǒng)Z源相同的元器件，結(jié)構(gòu)略有所不同。圖3(a)為電容不對稱電流連續(xù)型克服了傳統(tǒng)Z源輸入電流不連續(xù)的缺點；圖3(b)為電容對稱電流斷續(xù)型電源直接與阻抗網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)，減小了電容的電壓應(yīng)力，但和傳統(tǒng)Z源一樣輸入電流依然是斷續(xù)的。兩種準(zhǔn)Z源的電壓增益并沒有得到提高。

(a)

(b)圖3 準(zhǔn)Z源升壓變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

準(zhǔn)Z源和傳統(tǒng)Z源工作狀態(tài)類似也分為開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)兩種工作狀態(tài)。對準(zhǔn)Z源運用類似于傳統(tǒng)Z源原理分析，可以得到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)時有

不對稱型

(10)

(11)

對稱型

(12)

輸出電壓

(13)

由式(10)可知穩(wěn)態(tài)時不對稱型電容C1兩端的電壓應(yīng)力比傳統(tǒng)Z源的電容C1兩端電壓應(yīng)力較小。對稱型兩個電容的電壓應(yīng)力相等且都較小。從式(13)可以看出準(zhǔn)Z源的升壓能力并沒有得到提升。

(a)

(b)

(c)圖4 級聯(lián)準(zhǔn)Z源升壓變換器

文獻(xiàn)[8]提出了準(zhǔn)Z源升壓型DC-DC變換器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4(a)所示。通過改變電容C1與C3末端連接的位置得到新型準(zhǔn)Z源級聯(lián)升壓變化器[9]，其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4(b)所示。兩種新型準(zhǔn)Z源結(jié)構(gòu)類似，開關(guān)管S2和S3同時導(dǎo)通和關(guān)斷，與S1導(dǎo)通關(guān)斷時間互補，因此具有四種穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)。并且具有相同升壓能力，與傳統(tǒng)Z源升壓變換器相比，升壓能力更強，且在升壓比相同情況下，電容電壓應(yīng)力更小。在上述兩種準(zhǔn)Z源的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，文獻(xiàn)[10]提出了礦用級聯(lián)準(zhǔn)Z源DC-DC變換器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4(c)。該變換器用兩個二極管代替了開關(guān)管S2和S3，并增加了一級結(jié)構(gòu)，并把前級結(jié)構(gòu)中的電容器C2換成了二極管，降低了元件的電壓應(yīng)力，提高了電壓的增益，降低了開關(guān)管的損耗。

1.3 開關(guān)電感Z源變換器

近年來，為了提高傳統(tǒng)DC-DC升壓變換器的升壓能力開關(guān)電感，開關(guān)電容等技術(shù)已經(jīng)成功運用在DC-DC升壓變換器中。目前國內(nèi)外某些文獻(xiàn)把開關(guān)電感，開關(guān)電容技術(shù)運用到Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)中，來提高變換器的升壓能力。

開關(guān)電感Z源變換器如圖5所示，用兩個開關(guān)電感單元代替了傳統(tǒng)Z源中的兩個電感。開關(guān)管S導(dǎo)通時，二極管D1、D2、D4和D7截止，二極管D3、D5、D6、D8導(dǎo)通，電感L1和L2并聯(lián)，電感L3和L4并聯(lián)；開關(guān)管S關(guān)斷時，二極管D3、D5、D6、D8截止，二極管D1、D2、D4和D7導(dǎo)通，電感L1和L2串聯(lián)，電感L3和L4串聯(lián)。

圖4 開關(guān)電感Z源變換器

由于采用開關(guān)電感代替了傳統(tǒng)Z源網(wǎng)絡(luò)中的電感，升壓能力得到了提升，但是導(dǎo)通占空比的變化范圍有所變小并且輸入電流依然是斷續(xù)的。開關(guān)電感型Z源提供了一種提升阻抗源網(wǎng)絡(luò)變換器輸出電壓能力的思路，即采用升壓單元代替阻抗網(wǎng)絡(luò)中部分電感。

文獻(xiàn)[11]基于此提出了開關(guān)電感型quasi-Z源變換器，該變換器用開關(guān)電感單元代替了準(zhǔn)Z源中的電感L1，解決了輸出電流質(zhì)量和升壓倍數(shù)之間的矛盾。文獻(xiàn)[12]通過對Z源逆變器的研究，總結(jié)出一種系統(tǒng)構(gòu)造Z源DC-DC變換器的方法，設(shè)計了四種阻抗網(wǎng)絡(luò)，并通過改變其與電源的連接方式可以得到一系列高增益Z源DC-DC變換器。

2 基于耦合電感阻抗網(wǎng)絡(luò)升壓變換器

2.1 Trans-Z源變換器

國外一些學(xué)者采用兩繞組耦合電感技術(shù)代替Z源網(wǎng)絡(luò)中的電感，通過改變耦合電感W1和W2的匝數(shù)比以及占空比，可以進(jìn)一步提升了阻抗源網(wǎng)絡(luò)的升壓能力。文獻(xiàn)[13-14]提出了幾種Trans-Z源變換器，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別如圖5所示。

(a)

(b)

(c)

(d)圖5 四種Trans-Z源變換器

圖5(a)所示為Trans-Z源和傳統(tǒng)Z源相比減少了一個電容，節(jié)省了成本，而且電壓增益相同情況下，該變換器相比傳統(tǒng)Z源，開關(guān)管電壓應(yīng)力有所降低。將電容C的陰級接到直流電源與二極管之間得到Trans準(zhǔn)Z源，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5(b)所示， 此拓?fù)渑cTrans-Z源具有相同的電壓增益。 在Trans-Z源的輸入端增加了由電感Lf和電容Cf組成的濾波單元， 改進(jìn)成圖5(c)所示濾波Trans-Z源1， 在保證電壓增益不變的情況下，減小了輸入電流諧波，減少了對耦合電感鐵芯的影響。圖5(d)為濾波Trans-Z源2是圖5(c)變換模式，將LC濾波器和直流電源作為一個整體移動到電容C陰極和開關(guān)管S的陰極之間。

2.2 Γ型Z源變換器

同Trans-Z源類似，Γ-Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)中也采用雙繞組耦合電感來提升變換器的電壓增益。文獻(xiàn)[15-16]提出了的兩種Γ-Z源變換器，電流輸入連續(xù)型Γ-Z源1其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6(a)所示，該Γ-Z源是由Trans-Z源改進(jìn)而來，將電容C1的陽極接在了二極管和繞組W1之間，并且增加了一個電感L和電容C1，使得輸入電流連續(xù)。將圖6(a)中耦合電感繞組W2的同名端改接在二極管和W1之間，非同名端和電容C的陽極相連接，得到電流輸入連續(xù)型Γ-Z源2，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6(b)所示，其輸入電流也是連續(xù)的。這兩種Γ-Z源電壓增益及電容C1的電壓應(yīng)力均相同。

(a)

(b)圖6 兩種Γ-Z源變換器

2.3 Y源變換器

Yam P. Siwakoti等提出了Y源變換器[17-18]，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。Y源集合了T型Z源和Γ型Z源的升壓特點，更能夠體現(xiàn)基于耦合電感型阻抗網(wǎng)絡(luò)升壓變化器的優(yōu)點。Y源采用三繞組耦合電感和電容組成升壓網(wǎng)絡(luò)，耦合電感匝數(shù)設(shè)計靈活，而且匝數(shù)比和總匝數(shù)可以保持在較小的范圍，但是輸入電流不連續(xù)，啟動時會產(chǎn)生沖擊電流。

圖7 Y源變換器

文獻(xiàn)[19]提出的新型Y源變換器如圖8(a)所示。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)Y源升壓變換器的基礎(chǔ)上在電源輸入端增加了一個電感，并且在增加了一個電容，首尾兩端分別和電感及耦合電感繞組W3的非同名端相連。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)避免了輸入電流不連續(xù)，提高了電壓增益。文獻(xiàn)[20]基于該新型Y源逆變器提出了一種新型功率解耦方法，通過在全橋中點和兩個橋臂之間增加解耦電容，在確保不影響輸出電壓情況下，將功率波動完全轉(zhuǎn)移到兩個電容上。

(a)

(b)圖8 輸入電流連續(xù)Y源變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[21]提出了的準(zhǔn)Y源變換器如圖8(b)所示。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是將新型Y源變換器中的電容C2和二極管D調(diào)換了位置，二者電壓增益相同，并且由于增加直流電容，避免了傳統(tǒng)Y源耦合電感鐵芯磁飽和的現(xiàn)象。

結(jié)合boost電路和Y源提出了雙輸入Boost-Y源DC-DC變換器。該變換器輸入電流連續(xù)，電壓增益高，兩路輸入能夠分別以及協(xié)同給負(fù)載提供電能，避免了傳統(tǒng)Y源磁飽和問題，但該變換器有兩個開關(guān)管，穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)有四種模式，控制策略帶相對較為復(fù)雜。此外基于耦合電感阻抗源網(wǎng)絡(luò)升壓變換器還有A源[22]，Δ源[23]等其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型。

3 各種阻抗源升壓變換器性能分析

3.1 電壓增益及電容電壓應(yīng)力分析

各阻抗網(wǎng)絡(luò)升壓變換器升壓因子及電容兩端電壓表達(dá)式如表1所示。其中，nT為四種Trans-Z源耦合電感W1與W2匝數(shù)的比值，nΓ為兩種Γ-Z源耦合電感W1與W2匝數(shù)的比值，β=(N1+N2)/(N2-N3)，式中N1、N2和N3分別為Y源中Y型耦合電感W1、W2和W3的匝數(shù)比。

通過調(diào)整耦合電感各繞組的匝數(shù)比，可以改變耦合電感阻抗網(wǎng)絡(luò)變換器的升壓因子，升壓因子的增大，將導(dǎo)致可利用的占空比范圍縮小，并且個電容電壓應(yīng)力也會增大。為了便于比較不同類型耦合電感阻抗源變換器的性能，令其升壓因子B的分母為相等表達(dá)式(1-Kd)，通過推導(dǎo)可以得到各耦合電感阻抗源升壓因子B及各電容電壓表達(dá)式，如表1括號中所示表達(dá)式。

(a)升壓因子曲線

(b)電容電壓應(yīng)力圖9 多種拓?fù)渥杩咕W(wǎng)絡(luò)變換器性能對比

圖9(a)為不含耦合電感型Z源升壓因子隨占空比d變化曲線圖，圖中，曲線1表示傳統(tǒng)Z源、準(zhǔn)Z源以及各種耦合電感阻抗源變換器(K=2)升壓因子隨占空比變化曲線，曲線2表示準(zhǔn)Z源升壓型、新型準(zhǔn)Z級聯(lián)以及各種耦合電感阻抗源變換器(K=3)，曲線3表示開關(guān)電感源Z源，曲線4表示礦用級聯(lián)準(zhǔn)Z源，曲線5、6和7分別表示K=4、5和6時耦合電感阻抗源變換器升壓因子隨占空比變化曲線。從圖中可以看出礦用級聯(lián)準(zhǔn)Z源的升壓能力較強，通過級聯(lián)升壓單元能明顯是提高阻抗網(wǎng)絡(luò)的升壓能力。隨著K值增大，耦合電感型阻抗源的升壓能力明顯提升，但也使占空比可利用范圍減小。

圖9(b)為不含耦合電感型Z源各電容電壓應(yīng)力與占空比d變化曲線。圖中，曲線1表示傳統(tǒng)Z源C1，2以及不對稱準(zhǔn)Z源C2；曲線2為不對稱準(zhǔn)Z源C1以及對稱準(zhǔn)Z源C1，2；曲線3為新型準(zhǔn)Z源級聯(lián)C2，4；曲線4為新型準(zhǔn)Z源級聯(lián)C1；曲線5為新型準(zhǔn)Z源級聯(lián)C3；曲線6為礦用準(zhǔn)Z源C1；曲線7為礦用級聯(lián)C2，3，4，5；曲線8為開關(guān)電感Z源C1，2。從圖中可以看出礦用準(zhǔn)Z源級聯(lián)電容電壓應(yīng)力隨占空比增大上升的最快，傳統(tǒng)Z源及不對稱準(zhǔn)Z源電容電壓應(yīng)力則較小。

表1 各種阻抗網(wǎng)絡(luò)變換器參數(shù)表達(dá)式

3.2 仿真對比分析

對上述阻抗源網(wǎng)絡(luò)升壓變換器利用MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行了仿真波形分析，占空比d=0.2，輸入電壓VDC=60V，K=3。各變換器輸出電壓VO，輸入電流Iin，電容電壓VC大小如表2所示，仿真波形如圖10所示。

表2 各拓?fù)浞抡孑敵?/p>

圖9 多種拓?fù)浞抡娌ㄐ?/p>

圖10中，(a)-(p)分別為傳統(tǒng)Z源、不對稱準(zhǔn)Z源、對稱準(zhǔn)Z源、新型準(zhǔn)Z源升壓、新型準(zhǔn)Z源級聯(lián)、礦用級聯(lián)準(zhǔn)Z源、開關(guān)電感Z源、Trans-Z源、Trans準(zhǔn)Z源、濾波Trans-Z源1、濾波Trans-Z源2、連續(xù)型Γ-Z源1、連續(xù)型Γ-Z源2、Y源、新型Y源、準(zhǔn)Y源。結(jié)合圖10和表2，可以看出傳統(tǒng)Z源升壓能力有限電容電壓應(yīng)力較大，且輸入電流斷續(xù)。兩種準(zhǔn)Z升壓能力并沒有提高，不對稱準(zhǔn)Z源電容C1電壓應(yīng)力明顯減小，輸入電流連續(xù)且明顯減小，對電路沖擊較小，但電容C2電壓沒有改變，對稱準(zhǔn)Z源電容電壓應(yīng)力均明顯減小，但輸入電流斷續(xù)。新型準(zhǔn)Z升壓及級聯(lián)型升壓能力提高，輸入電流不變且連續(xù)，對電路拓?fù)錄_擊較小，級聯(lián)型電容C1和C3電壓明顯過大。礦用級聯(lián)準(zhǔn)Z源升壓能力進(jìn)一步提高，輸入電流翻倍，電容電壓應(yīng)力并沒有明顯增大。開關(guān)電感Z源升壓能力相較于傳統(tǒng)Z源升壓能力有所提高，電容電壓及輸入電流也明顯增大，且輸入電流斷續(xù)，對電路沖擊較大。新型準(zhǔn)Z源升壓、新型準(zhǔn)Z源級聯(lián)、礦用級聯(lián)準(zhǔn)Z源及開關(guān)電感Z源均采用增加升壓單元提高升壓能力，隨著元器件的增多，耗能增加，效率降低而且成本上升。

耦合電感阻抗源變換器通過改變K值(即通過改變耦合電感繞組匝數(shù)比)，可以顯著改變升壓能力。圖10及表2也分別給出了當(dāng)K=3時仿真波形及輸入輸出數(shù)據(jù)。四種Trans-Z源中兩種濾波型輸入電流連續(xù)且值都較小，并且濾波Trans-Z源2兩個電容電壓應(yīng)力都較小，性能較優(yōu)。兩種連續(xù)型Γ-Z源性能相同。從圖10中可以看出相比于其他兩種Y源新型Y源輸入電流及兩個電容電壓波動范圍都較大。從以上分析可以看出，濾波Trans-Z源2性能較優(yōu)。

4 結(jié)論

本文對各種阻抗源網(wǎng)絡(luò)升壓變化器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析研究，對比了各種阻抗源的優(yōu)缺點。傳統(tǒng)Z源升壓能力有限，電流斷續(xù)，電容電壓應(yīng)力較高。準(zhǔn)Z源雖然減小電容電壓應(yīng)力，升壓能力并沒有提高。幾種級聯(lián)型通過增加升壓單元提高了電壓增益，但也導(dǎo)致部分電容電壓應(yīng)力過大，并且由于元器件的增加，損耗及成本過高。耦合電感型通過改變耦合電感匝數(shù)比能夠顯著提高電壓增益，并且元器件較少，但存在漏感問題。相對而言濾波Trans-Z源2的升壓能力明顯，電容電壓應(yīng)力控制在合理范圍內(nèi)，沖擊電流較小，性能較優(yōu)。