三繞組開關(guān)耦合電感準(zhǔn)Z源DC-DC變換器

國 珍，張洪興

(青島理工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266520)

1 引言

隨著新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)的日益發(fā)展，各種類型的Z源變換器因其電壓增益高，功率變換級(jí)數(shù)少的優(yōu)點(diǎn)成為了爭相研究的焦點(diǎn)。并且當(dāng)Z源網(wǎng)絡(luò)用于逆變拓?fù)鋾r(shí)，可自由的工作在開關(guān)管直通或者關(guān)斷的狀態(tài)下，從而提高電路的靈活性與可靠性。但是，Z源變換器仍存在著電流紋波較大，關(guān)鍵功率器件電流電壓應(yīng)力不夠理想等問題，如何對(duì)Z源變換器進(jìn)行改進(jìn)和性能優(yōu)化是當(dāng)今新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)急需解決的問題之一[1]-[6]。傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源逆變器的輸入電流連續(xù)，且器件電壓應(yīng)力低，但升壓能力有限，在高升壓增益的情況下，調(diào)制指數(shù)較低。為了改善這一問題，本文引入開關(guān)耦合電感代替?zhèn)鹘y(tǒng)阻抗源中的電感，滿足高升壓增益的需求。通過直通占空比D和耦合電感匝數(shù)比γ雙自由度調(diào)節(jié)電壓增益B，實(shí)現(xiàn)了單級(jí)電路在較小的直通占空比D時(shí)得到較大的升壓倍數(shù)[6]-[19]。本文提出的帶有開關(guān)耦合電感的準(zhǔn)Z源變換器運(yùn)用在逆變器前級(jí)時(shí)，該變換器能夠通過直通占空比D和耦合電感的匝比γ實(shí)現(xiàn)直流母線電壓VPN的任意調(diào)節(jié)，獨(dú)特的阻抗源網(wǎng)絡(luò)能夠消除直通對(duì)逆變器的損壞，增加系統(tǒng)安全性。

2 變換器的演化和工作過程研究

本文所提出的三繞組開關(guān)耦合電感準(zhǔn)Z源變換器，集合了普通準(zhǔn)Z源電路和開關(guān)耦合繞組單元的雙重優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn)Z源拓?fù)渚哂懈唠妷涸鲆?，特別是在用于逆變前級(jí)的時(shí)候，能夠工作在開關(guān)管直通和關(guān)斷的狀態(tài)，保證了逆變的安全性和可靠性；開關(guān)耦合繞組單元增加了匝比這一升壓因子，使得電路的升壓增益不單單取決于占空比，還與耦合繞組的匝比具有直接關(guān)系，這樣在實(shí)現(xiàn)高電壓增益的同時(shí)，避免極限占空比的情況，使得電路的的安全性和效率實(shí)現(xiàn)整體提高。

本章主要介紹電路在CCM工作狀態(tài)下的電路演化分析，工作過程分析和穩(wěn)態(tài)分析，最終利用伏秒平衡計(jì)算電路各回路的電壓關(guān)系和輸出增益。

2.1 變換器的演化過程

本節(jié)主要介紹了三繞組開關(guān)耦合電感準(zhǔn)Z源變換器的演化過程。其中包括三繞組開關(guān)耦合電感增壓模塊的工作過程和穩(wěn)態(tài)研究，準(zhǔn)Z 源框架的通用性研究和嵌入三繞組開關(guān)耦合電感后的準(zhǔn)Z源變換器的工作過程研究。

2.1.1 三繞組開關(guān)耦合電感增壓模塊

本文提出了一種新型的三繞組開關(guān)耦合電感的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是在Boost升壓電路的基礎(chǔ)上將儲(chǔ)能電感換成耦合繞組，如圖1所示。其中匝比：N1：N2：N3=1：n1：n2。傳統(tǒng)的Boost升壓電路升壓倍數(shù)僅與占空比D有關(guān)，在滿足高升壓需求下，可能會(huì)出現(xiàn)極限占空比的情況，這是非常不安全的，為了解決這種問題，將Boost升壓電路的儲(chǔ)能電感替換成耦合繞組，這樣就又引入了一個(gè)可以控制電壓增益的因子耦合電感的匝比γ，電壓增益由兩個(gè)控制因子共同決定，有效的避免了極限占空比的情況。經(jīng)過仿真可以得到在一個(gè)周期內(nèi)該電路由兩種工作狀態(tài)分別為圖2、圖3。

圖1 三繞組開關(guān)耦合電感升壓拓?fù)湓韴D

圖2 開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)

圖3 開關(guān)管關(guān)斷狀態(tài)

開關(guān)管導(dǎo)通階段：如圖2所示。開關(guān)管S導(dǎo)通，電感La通過環(huán)路Vg-La-Lc-S進(jìn)行充電，而耦合電感Lb和電容C0通過環(huán)路Vg-La-Lc-S進(jìn)行放電，此時(shí)D1反向截止，Lb的電流為0，D0反向截止，電容C0給負(fù)載R供電?？梢缘玫诫姼械碾妷宏P(guān)系。

化簡上述公式可以解得

(1)

開關(guān)管關(guān)斷階段：如圖3所示。開關(guān)管S關(guān)斷，此時(shí)D1正向?qū)ǎ珼0正向?qū)?，電感La通過環(huán)路Vg-La-Lb-D1-D0-C0進(jìn)行放電，而耦合電感Lb和電容C1通過環(huán)路C1-Lc-Lb-D1進(jìn)行沖電?？梢缘玫诫姼械碾妷宏P(guān)系。

化簡上述公式可以解得

(2)

由式(1)、(2)對(duì)繞組La、Lb、Lc使用伏秒平衡公式可以分別得到

(3)

聯(lián)立計(jì)算式(3)可以解得

(4)

由式(4)可以計(jì)算出電壓增益為

(5)

2.1.2 準(zhǔn)Z源框架

本節(jié)提出了一種準(zhǔn)Z源框架如圖4，這種框架可以利用子在任何準(zhǔn)Z源嵌入結(jié)構(gòu)當(dāng)中，可以簡化計(jì)算，并且在下一章中證明了這個(gè)框架的正確性。其中P為電壓增益為B的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖4 準(zhǔn)Z源框架原理圖

經(jīng)過電路仿真可以得到在一個(gè)周期內(nèi)這個(gè)準(zhǔn)Z源框架有兩種工作狀態(tài)。分別為圖5、圖6。

圖5 準(zhǔn)Z源框架開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)

圖6 準(zhǔn)Z源框架開關(guān)管關(guān)斷狀態(tài)

當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，二極管D1反向截止，二極管D2反向截止，在回路Vg-L1-C2中L1進(jìn)行充電，C2進(jìn)行放電，從而可以得到電壓關(guān)系：

Vg-VL1+VC2=0

簡化上述公式可以解得

VL1=Vg+VC2

(6)

開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，二極管D1正向?qū)ㄖ?，二極管D2正向?qū)?。在回路Vg-L1-C1、Vg-L1-C2-C0、C1-B-C0中L1進(jìn)行釋放能量，C1和C2的狀態(tài)相同都進(jìn)行儲(chǔ)存能量，可以得到電壓關(guān)系

簡化上述公式可以解得

(7)

由式(6)、(7)對(duì)L1進(jìn)行伏秒平衡可以得到

(8)

解得

(9)

BVC1=V0

(10)

將式(9)帶入式(10)解得電壓增益：

(11)

2.1.3 三繞組開關(guān)耦合電感準(zhǔn)Z源拓?fù)?/p>

將2.11節(jié)所介紹得三繞組開關(guān)耦合電感拓?fù)淝度氲?.1.2節(jié)所介紹得準(zhǔn)Z源框架中就得到了本文所提出得新型拓?fù)淙鐖D7，該拓?fù)渚哂星懊嫣岬降脙蓚€(gè)拓?fù)涞霉餐瑑?yōu)點(diǎn)。

圖7 準(zhǔn)Z源框架開關(guān)管關(guān)斷狀態(tài)

將2.1.1節(jié)求得的內(nèi)嵌部分的電壓增益B代入到2.1.2節(jié)準(zhǔn)Z源框架的電壓增益計(jì)算公式中，即

(12)

得到新型電路三繞組開關(guān)耦合電感準(zhǔn)Z源變換器的電壓增益為

(13)

2.2 變換器的工作模式和穩(wěn)態(tài)研究

研究了三繞組開關(guān)耦合電感準(zhǔn)Z源變換器在開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)候的電路工作過程如圖8、圖9。

圖8 準(zhǔn)Z源框架開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)

圖9 準(zhǔn)Z源框架開關(guān)管關(guān)斷狀態(tài)

當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)候，在Vg-L1-C2回路中L1進(jìn)行儲(chǔ)存能量，同時(shí)C2進(jìn)行釋放能量。在C1-La-Lc-C3回路中，C1進(jìn)行釋放能量，La的電流等于Lc的電流，都在沖電。而Lb的電流為零。由此可以得到電壓關(guān)系

簡化上述公式解得

(14)

當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷的時(shí)候，在Vg-L1-C1回路中L1進(jìn)行釋放能量，同時(shí)C1進(jìn)行儲(chǔ)存能量。在Vg-L1-La-Lb-C0與La-Lb-C2回路中，L1進(jìn)行釋放能量，耦合電感Lc的電流為Lc進(jìn)行充電，而La的電流迅速減小。由此可以得到電壓關(guān)系

簡化上述公式解得

(15)

根據(jù)式(14)和(15)對(duì)繞組L1、La、Lb、Lc使用伏秒平衡公式可以分別得到

(16)

簡化解得

(17)

將上式(17)帶入伏秒平衡式(16)可以解得輸出電壓為

(18)

則計(jì)算電壓增益為：

(19)

可以看出本節(jié)通過伏秒平衡計(jì)算出的電壓增益與2.1.3節(jié)中通過準(zhǔn)Z框架計(jì)算出的電壓增益完全相同，這在理論上驗(yàn)證了準(zhǔn)Z源框架的正確性。

圖10 電壓增益對(duì)比圖

通過式(19)可以看出，三耦合開關(guān)電感的準(zhǔn)Z源變換器可以通過改變匝比γ和直通占空比D改變電壓增益。更直觀的表述如圖10中曲線所示。從圖中可以看出，在耦合電感的匝比不變的情況下，電壓增益隨著占空比的升高而升高；在占空比不變的情況下，電壓增益隨著耦合電感的匝比的升高而升高，這有效證實(shí)了本拓?fù)涞碾妷涸鲆媸苷伎毡群婉詈想姼械脑驯入p重控制。并且還可以從圖10中看出，本文提出的變換器在直通占空比較小的時(shí)候，便可獲得高電壓增益，這有效的抑制了極限占空比的情況。

3 變換器的仿真與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提理論的正確性和可行性本章主要運(yùn)用Saber軟件根據(jù)前文中對(duì)變換器的理論分析進(jìn)行仿真，從而實(shí)現(xiàn)理論的驗(yàn)證。主要以變換器中相關(guān)的關(guān)鍵器件的電壓和電流波形為分析切入點(diǎn)，驗(yàn)證其相應(yīng)的工作回路及工作狀態(tài)與理論分析是否一致，進(jìn)一步確認(rèn)變換器的可靠性與精確性。表1所示為仿真過程中，變換器相關(guān)元件的參數(shù)，圖11為Saber仿真原理圖。

表1 變換器器件參數(shù)

圖11 仿真原理圖

圖11所示為三耦合開關(guān)電感準(zhǔn)Z源變換器在正常工作的環(huán)境下，其主要元件的相應(yīng)電流、電壓波形圖。其中VC0是穩(wěn)定的輸出電壓波形，具體數(shù)值為73.6V；VC1和VC2為電容C1、C2的電壓波形，可以看出電容C1、C2的電壓在一個(gè)周期內(nèi)的變化趨勢是相同的，都在開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)候放電，在開關(guān)管關(guān)斷的時(shí)候充電；iL1是輸入電感L1的電流波形，圖中可以看出電感L1在開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)候放電，在開關(guān)管關(guān)斷的時(shí)候充電；iLa、iLb、iLc分別為繞組La、Lb、Lc的電流波形，很明顯能夠看出在開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)候La電流等于Lc的電流，Lb的電流為0，此時(shí)La、Lb儲(chǔ)能，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷的時(shí)候La的電流迅速下降，同時(shí)Lc的電流迅速為Lb充電，此時(shí)Lb進(jìn)行儲(chǔ)能?？傮w來說此電路在一個(gè)周期內(nèi)主要由兩種工作模態(tài)，即開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)和開關(guān)管關(guān)斷狀態(tài)。從變換器各器件的相應(yīng)電壓和電流波形來看，仿真得到的結(jié)果與理論分析的變換器工作過程的相應(yīng)數(shù)值關(guān)系基本一致。而且當(dāng)輸入電壓為12V，占空比為0.13，匝比關(guān)系為N1：N2：N3=1：2：0.45的時(shí)候根據(jù)前文中計(jì)算出的電壓增益得到電壓增益B=6.215，則輸出電壓計(jì)算值為74.5V，而實(shí)際仿真的輸出電壓為73.6V，符合理論分析結(jié)果。驗(yàn)證了理論分析的正確性。

圖12 電容電壓波形圖

圖13 電感電流波形圖

4 結(jié)論

本文提出了一種帶有三耦合開關(guān)電感的準(zhǔn)Z源變換器變器。

并分析了該電路的演化過程和工作過程與穩(wěn)態(tài)分析。計(jì)算了準(zhǔn)Z源框架通用性公式，極大的簡化了準(zhǔn)Z 源嵌入式結(jié)構(gòu)的計(jì)算工作。該電路能在拓?fù)湓骷^少的情況下，實(shí)現(xiàn)高電壓增益。獨(dú)特的準(zhǔn)Z框架提高電路的安全性，特別是將本電路運(yùn)用在逆變器的前級(jí)的時(shí)候，可自由的工作在開關(guān)管直通或者關(guān)斷的狀態(tài)下。開關(guān)耦合電感升壓結(jié)構(gòu)的引入，帶來了非常明顯優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電壓的雙自由度調(diào)節(jié)，改善在高電壓增益需求下極限占空比的不利情況，在較小的占空比的時(shí)候就能獲得較高的電壓增益。