一種準(zhǔn)Z源變換器的分析與研究

石方園，焦文良

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

0 引 言

隨著化石燃料的日益枯竭和環(huán)境污染問題的不斷惡化，新能源發(fā)電越來越受到人們的關(guān)注，其中以風(fēng)能和光伏發(fā)電最為突出。近年來，新能源發(fā)電量占比和裝機(jī)容量都呈現(xiàn)快速增加的發(fā)展趨勢(shì)[1]，其次是電動(dòng)汽車的不斷發(fā)展。然而無論是風(fēng)機(jī)還是光伏電池所形成的首端電壓都較低，同樣燃料電池具有輸出電壓低且波動(dòng)范圍大、輸出電流大的特點(diǎn)，因此將這些設(shè)備作為供電設(shè)備時(shí)需添加高增益的升壓變換器[2]。

在開關(guān)電源領(lǐng)域內(nèi)，升壓變壓器憑借其在轉(zhuǎn)換效率、體積、結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性等方面具有十分突出的特性，使得對(duì)其研究具有深遠(yuǎn)意義[3]。其中非隔離型的升壓變換器由于電路中不存在高頻隔離變壓器，因而使得這類變換器的成本低、體積更小、便于集成化生產(chǎn)，其中非隔離型的DC/DC升壓變換器是研究的熱門[4]。

文獻(xiàn)[5]提出一種Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)，該阻抗網(wǎng)絡(luò)具有升降壓、高升壓比等優(yōu)點(diǎn)，且對(duì)于系統(tǒng)的負(fù)載類型沒有要求。Quasi-Z源是在Z源網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的，因而仍然具有Z源網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)。為進(jìn)一步提高準(zhǔn)Z源變換器的升壓能力，該文對(duì)一款基于電感、電容器件組成的升壓單元的新型Quasi-Z源變換器進(jìn)行了分析與研究，通過試驗(yàn)樣機(jī)得出該變換器進(jìn)一步提升了傳統(tǒng)Z源變換器的電壓增益，適合應(yīng)用在燃料電池等同類低輸入但需要高輸出的場合。

1 電路結(jié)構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)Quasi-Z源拓?fù)?/h3>

傳統(tǒng)Quasi-Z源變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，在穩(wěn)態(tài)時(shí)根據(jù)電路的工作原理可分析出其輸入、輸出電壓的關(guān)系，即電路增益B為

(1)

式中：Ui為輸入電壓；Uo為輸出電壓；d為開關(guān)管導(dǎo)通占空比。

1.2 新型Quasi-Z源拓?fù)?/h3>

考慮到電感電容在儲(chǔ)能之后相當(dāng)于一個(gè)“電源”的效果，與輸入電源一起作用于外加負(fù)載時(shí)即能實(shí)現(xiàn)輸出電壓的提升，因而考慮在傳統(tǒng)Quasi-Z源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中引入電感電容組成的電壓提升單元。新型Quasi-Z源變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示[6]。

圖2 新型Quasi-Z源變換器拓?fù)銯ig.2 New Quasi-Z source topology

2 電路分析

2.1 工作原理

為方便對(duì)電壓關(guān)系進(jìn)行分析，先做出如下假設(shè)：

1)電路中所有的器件均是理想器件，則元件自身不產(chǎn)生損耗[7]。

2)所有電感電流無斷續(xù)，即變換器工作在連續(xù)模式(CCM模式)[8]。

3)所有電容兩端的電壓值在整個(gè)周期中恒定不變[8]。

4)輸出電壓的紋波小，可以忽略不記[9]。

新型Quasi-Z源變換器的工作原理與傳統(tǒng)Quasi-Z源變換器一樣，由于電路中只有一個(gè)開關(guān)管，所以電路在電感電流CCM模式下只有導(dǎo)通、關(guān)斷2種狀態(tài)[10]，記導(dǎo)通時(shí)間為dT，關(guān)斷時(shí)間為(1-d)T。開關(guān)管工作在導(dǎo)通狀態(tài)如圖3所示，此時(shí)二極管D2、D3承受反壓關(guān)斷，電源Ui和電容C1、C2、C3給電感L1、L2、L3充能，電感L4、電容C4給負(fù)載Ro充能[10]。

開關(guān)管工作在關(guān)斷狀態(tài)如圖4所示，此時(shí)二極管D1承受反壓關(guān)斷，電路中電源Ui和L1給電容C1充能，L2給電容C2充能，L3給電容C3充能，電源Ui和電感L1、L2、L3給電感L4、負(fù)載Ro、電容C4充能。

圖3 開關(guān)管導(dǎo)通Fig.3 Switch on

圖4 開關(guān)管關(guān)斷Fig.4 Switch off

2.2 電壓關(guān)系分析

在進(jìn)行電壓關(guān)系分析時(shí)只需對(duì)圖3、圖4分別列寫KVL、KCL方程。

由圖3列寫KVL方程，則有

(2)

式中：iL為電感電流；Ui為輸入電壓；VC為電容電壓；L為電感值。

由圖3列寫KCL方程,則有

(3)

式中：Ro為負(fù)載阻值；C為電容值。

由圖4列寫KVL方程，則有

(4)

由圖4列寫KCL方程，則有

(5)

電路運(yùn)行穩(wěn)定后，根據(jù)電感伏秒平衡關(guān)系，即在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電感電壓對(duì)時(shí)間的積分為0[11]，則有

(6)

由式(5)可得電容C1、C2、C3的電壓為

(7)

根據(jù)電路的關(guān)系則有VC4=Uo，則有輸入、輸出的電壓關(guān)系，即電路增益B為

(8)

3 參數(shù)計(jì)算

電感電流紋波過大會(huì)造成開光管和二極管的電流應(yīng)力變大，不僅會(huì)使得這些器件的損耗增大，而且電感大小的選取影響電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[12]。一般用電感電流平均值表示電感電流紋波XL%(該值一般所取范圍為0.15～0.4)，滿足算式[8]：

(9)

式中：ΔiL為電感電流的波動(dòng)峰值；IL為電感電流的平均值。

由于電路元件為理想器件，那么整個(gè)電路沒有功率損耗，即有

Ui·Ii=Uo·Io

(10)

則

(11)

(12)

根據(jù)一個(gè)周期內(nèi)電容安秒平衡關(guān)系則有電感L2、L3電流表達(dá)式為[11]

(13)

則按照式(1)、(6)、(8)、(10)～(12)可得出電感的參數(shù)表達(dá)式為

(14)

式中：f為開關(guān)頻率。

電容電壓的紋波與電感電流紋波定義類似，按相同步驟可得電容的參數(shù)表達(dá)式為

(15)

式中：XC%為電容電壓波動(dòng)的相對(duì)值，一般取值范圍為0.01～0.02[8]。

4 特性分析

4.1 電壓增益對(duì)比

根據(jù)式(1)、(8)利用Matlab繪制出新型Quasi-Z變換器和傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源電路增益B的函數(shù)對(duì)比圖形如圖5所示。

圖5 增益函數(shù)圖形Fig.5 Gain function graph

從圖5中看出，新型Quasi-Z源變換器與傳統(tǒng)Quasi-Z源變換器相比的最大優(yōu)勢(shì)在于當(dāng)開關(guān)管的導(dǎo)通占空比大于0.2后，在同等占空比下，新型Quasi-Z變換器的增益明顯高于傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源電路。

4.2 輸出電流紋波

在開關(guān)管導(dǎo)通期間，電感L4的兩端電壓一直被鉗位為VC4，則根據(jù)電感儲(chǔ)能原理可以得到所提新型Quasi-Z變換器的輸出電流紋波值ΔiL為[12]

(16)

根據(jù)式(7)可得

(17)

4.3 主要開關(guān)元件應(yīng)力分析

根據(jù)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的電路模態(tài)可以分析得出開關(guān)管的電壓被鉗位為VC1+VC2+VC3，根據(jù)式(7)可得開關(guān)管的電壓應(yīng)力為

(18)

開關(guān)管導(dǎo)通期間二極管D2、D3處于關(guān)斷狀態(tài)，根據(jù)工作狀態(tài)分析有

(19)

在開光管關(guān)斷期間二極管D1處于關(guān)斷狀態(tài)，根據(jù)工作狀態(tài)分析有

(20)

通過上述元件的電壓應(yīng)力分析可知其大小以輸入電壓Ui為歸一化量，為選擇合適的器件提供依據(jù)[12]。

5 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證方案可行性，利用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真模型電路搭建，仿真參數(shù)設(shè)定均考慮一定的裕量，具體參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

圖6(a)是為輸出電壓與占空比的波形圖，根據(jù)式(8)可知，當(dāng)輸入電壓Ui=12 V，占空比d=1/3時(shí)，此時(shí)通過計(jì)算得到的理論計(jì)算值Uo=36 V，仿真輸出電壓Uo通過模擬示波器顯示輸出為36.2 V，與理論值一致，即可說明在較小占空比下可以實(shí)現(xiàn)低輸入、大輸出的效果[12]。圖6(b)、(c)分別為電容C1、C2、C3、C4兩端電壓，模擬示波器的顯示值分別為17.83 V、18.17 V、18.17 V、36.01 V，與占空比d=1/3時(shí)理論計(jì)算值在忽略誤差情況下基本一致，因此可見前文對(duì)電路的分析正確且系統(tǒng)表現(xiàn)出較好的升壓特性。

圖6 仿真波形Fig.6 Simulation waveform

圖7 試驗(yàn)波形Fig.7 Experimental waveform

為進(jìn)一步驗(yàn)證方案可行性，在實(shí)驗(yàn)室完成小功率樣機(jī)電路搭建，試驗(yàn)參數(shù)與仿真參數(shù)一致。

圖7(a)、(b)為輸出電壓、輸入電壓與占空比的波形圖，考慮到單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力有限，采用了EG3002驅(qū)動(dòng)芯片，其供電電壓為12 V。從圖中可以看出PWM信號(hào)幅值為12 V，根據(jù)式(8)可知，當(dāng)輸入電壓為Ui=12 V，占空比d=1/3時(shí)，此時(shí)通過計(jì)算得到的理論計(jì)算值為Uo=36 V，實(shí)際電路的輸出電壓為35.3 V，且電壓脈動(dòng)峰峰值在500 mV以內(nèi)。圖7(c)、(d)、(e)、(f)為別為電容C1、C2、C3、C4兩端電壓，分別是18.2 V、19.9 V、19.9 V、35.4 V，除了C2、C3的誤差較大外，其余電壓關(guān)系均與理論分析一致[13]，故在忽略誤差情況下同理論值一致，因此可見前文對(duì)電路的分析正確且系統(tǒng)表現(xiàn)出較好的升壓特性。

6 結(jié) 語

該文主要論述一種新型Quasi-Z源變換器的工作原理，根據(jù)工作原理對(duì)輸入輸出的電壓關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo)，完成電路主要元器件的參數(shù)計(jì)算推導(dǎo)，利用Matlab/Simulink完成仿真模型電路搭建，并在實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn)樣機(jī)搭建。仿真和試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)果表明，所提出的新型Quasi-Z源方案具有可行性，系統(tǒng)具有較高的升壓能力。