Z 源升壓變換器電路建模與控制研究

李明，李永華

（陽(yáng)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，廣東陽(yáng)江，529566）

0 引言

近年來(lái)，太陽(yáng)能、光伏等可再生能源發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速。高升壓比DC/DC 變換器對(duì)輸入電壓范圍提出了越來(lái)越高的要求，作為新能源發(fā)電技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，DC/DC 變換器的研究與應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注[1]。Boost 變換器是最常用的DC/DC 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但其輸出電壓有限，當(dāng)開關(guān)管占空比非常接近1 時(shí)，Boost 變換器才能達(dá)到較大的升壓比[2]。Z源升壓變換器將Boost 變換器的輸入電感用Z 源拓?fù)浯嬉赃B接輸入電源和輸出整流電路，通過(guò)控制主開關(guān)管占空比實(shí)現(xiàn)升壓，在占空比小于0.5 的情況下也可以使升壓因子達(dá)到（1-D）/(1-2D)[3]。

為了能夠更好地利用Z源升壓變換器，本文應(yīng)用狀態(tài)空間法，將Z源升壓變換器電路模型進(jìn)行了小信號(hào)建模，并設(shè)定主電路參數(shù)對(duì)此變換器進(jìn)行頻域分析，為其控制器的設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。根據(jù)結(jié)果進(jìn)行了電流和電壓雙閉環(huán)控制設(shè)計(jì)，并計(jì)算該工作模式時(shí)的閉環(huán)控制參數(shù)。通過(guò)PSIM 仿真給出了系統(tǒng)的雙閉環(huán)補(bǔ)償前后的輸出電壓波形圖。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確認(rèn)性。

1 Z源升壓變換器電路建模

■1.1 Z源升壓變換器電路

圖1 為Z源升壓變換器原理圖[4]，其中Z 源網(wǎng)絡(luò)由L1、L2、C1、C2 共同組成，S 為主開關(guān)。

圖1 Z源升壓變換器拓?fù)潆娐?/p>

對(duì)一個(gè)開關(guān)周期T內(nèi)，可分為導(dǎo)通和截止兩個(gè)子時(shí)間段，假定占空比為d。在0≤t≤dT時(shí)S 導(dǎo)通，其等效電路如圖2(a)所示；在dT≤t≤T 時(shí)S 截止，其等效電路如圖2(b)所示。

圖2 Z源升壓變換器等效電路

圖3 傳遞函數(shù)的波特圖

圖4 電流環(huán)的控制策略

圖5 電壓環(huán)的控制策略

■1.2 建模過(guò)程

導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的方程如下：

截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的方程如下：

其中：

由于Z 源網(wǎng)絡(luò)具有對(duì)稱性，根據(jù)電路的等效性和對(duì)稱可得[6]：

■1.3 頻域分析

2 Z源升壓變換器控制方法

綜合上述電流電壓控制，可得Z 源升壓變換器的控制策略如圖6 所示。

圖6 Z源升壓變換器的控制策略

3 仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證前述理論分析正確性，利用PSIM 軟件搭建仿真電路，并在實(shí)驗(yàn)室搭建小功率硬件電路，在電流連續(xù)工作模式下進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)。仿真參數(shù)如前所述：L1=L2=0.1 mH，C1=C2=100μF,L3=0.2 mH，C3=400 μF，R=150 Ω，Vg=12V，D=0.4。另設(shè)定開關(guān)管頻率為20 kHz。開環(huán)和雙閉環(huán)控制下輸出電壓的仿真波形分別如圖7(a)、7(b)所示。

圖7 輸出電壓波形

從圖7 中可以看出沒(méi)有控制環(huán)節(jié)的電壓輸出紋波較大，不易濾除。增加了本文所設(shè)計(jì)的電流電壓雙閉環(huán)控制部分后能得到比較理想的波形。

Z源升壓變換器實(shí)驗(yàn)參數(shù)與仿真參數(shù)一致。當(dāng)加入雙閉環(huán)控制后，輸出電壓的波形和仿真波形相符。

4 結(jié)束語(yǔ)