Z源網絡在DC-DC直流變換器中的應用

山東科技大學 尚慶棟

1.Z源網絡在SEPIC電路中的應用

傳統的Sepic電路能簡單的實現升壓和降壓的功能，而且電源的輸入電流和負載的輸出電流都是連續的，有利于輸入、輸出濾波，但它的升壓比U=D/(1-D)，D為開關的導通比，當D<0.5時實現降壓功能，當D>0.5時實現升壓功能，而且要實現很高的升壓比時，開關的導通比D接近1，這樣開關導通時間過長而截止時間過短，會導致損耗和溫升過大，影響實用。[1]

圖1 基于Z源網絡的SEPIC直流變換電路

圖2 基于Z源網絡的BOOST直流變換電路

圖3 基于Z源網絡的雙向直流變換器電路

把Z源網絡引入到SEPIC電路中進行拓撲會很好的解決傳統的SEPIC電路所產生的問題，如圖1所示為基于Z源網絡的SEPIC電路的拓撲。

當全控器件導通即在Ton期間，電容C1、C2、C3處于放電狀態，分別通過VT對L1和L2、L3儲能，把內部儲存的電場能量轉化為磁場能量儲存到電感中，電感L1、L2和L3處于儲能狀態，流過的電流I1、I2和I3是線性上升的，其兩端電壓UL1on=L1· dI 1/dt 、UL2on=L2· dI 2/dt 和UL3on=L3· dI 3/dt ，電壓方向為正值，從而使二極管D1陰極電位升高，D1承受反向壓降而截止，輸入電源Ui被切除，二極管D2陽極電位降低，D2也承受反向壓降而截止，此時電容C0處于放電狀態，對負載R供電。

在開關管VT關斷期間即TOff期間，電感L1、L2和L3處于釋放能量的狀態，流過的電流I1、I2和I3線性下降，其兩端電壓UL1Off、UL2Off和UL3Off為了維持電感中的電流方向不變而改變方向，從而使二極管D1陰極電位降低，D1承受正向壓降而導通，二極管D2陽極電位升高，D2也承受正向壓降而導通，D1導通把輸入電源Ui接入，和電感L1、L2、L3一起既給電容C1，C2，C3和C0充電，同時也向負載R供電[2]。

開關VT導通比為D，開關周期為T，則導通時間TON=DT，關斷時間Toff=(1-D)T，升壓比?我們根據電感電流在一個周期內的變化率相等來推導可以得出升壓比：

對于Z源調壓電路：當D<1/3時?<1即實現降壓功能，當D>1/3時，?>1即實現升壓功能，且當導通比D接近0.5時升壓比可無窮大；而對于傳統的Sepic電路而言，當D<0.5時?<1即實現降壓功能，當D>0.5時，?>1即實現升壓功能，且當導通比D接近1時升壓比才可無窮大。在相同的導通比下，Z源調壓電路的升壓比大于傳統Sepic電路的升壓比。此結構中在開關導通比D<0.5時就可以實現傳統Sepic電路的升降壓功能，從而彌補了傳統Sepic電路實現升壓時導通比D>0.5甚至更大的不足。[8]

2.Z源網絡在BOOST電路中的應用

BOOST直流斬波電路同SEPIC電路在升降壓上存在類似的問題，傳統BOOST拓撲升壓困難，因為當該電路需要很大的輸入輸出比?時，開關導通比D接近1，例如當輸入輸出比大于5時，D大于0.8，這樣開關導通時間過長而開關截止時間過短，從而導致損耗和溫升過大，影響實用。為此本文提出一種基于Z源的DC/DC直流變換器，可以有效解決上述問題[3]。如圖2所示是將Z源網絡引入到BOOST電路中的電路圖。

與前述基于SEPIC電路的Z源直流變換器工作原理類似，通過對全控器件處于開通和關斷期間的等效電路進行分析，利用在一個周期內電感的輸出平均電壓為零可以得出輸入輸出的比值為：

將Z源直流變換器拓撲和傳統BOOST拓撲的升壓因子做比較，用MATLAB推出升壓因子?和開關導通比的關系曲線，在導通比小于0.5的情況下Z源變換器理論上可以提供無限高的輸出電壓，且同樣導通比下z源變換器的輸出遠高于傳統BoosT。[4]

3.Z源網絡在雙向直流變換器中的應用

傳統的雙向DC-DC變換電路，通過改變變換器中變換單元之間的驅動相角差便能控制直流源之間的能量流動。該電路通過變壓器漏感傳遞能量，在nU1/U2偏離1較大時(其中n為高頻變壓器變比)，存在較大的環流，不適合于寬調壓應用。另外，逆變橋中每個橋臂的上下開關管不能直通，否則電源被短路，損壞開關器件并引發系統崩潰，所以其可靠性相對要差。從控制模型來看，由于系統不同功率流向時小信號模型不同，如果采用統一的閉環調節器，其校正和綜合就比較困難，所以通常采用兩套獨立的控制環實現功率的雙向流動，這限制了雙向DC-DC的應用。[5]

本文提出一種基于Z源網絡的雙向DCDC變換器其兩側電路完全對稱，電路上沒有高低側之分，并且電源為電壓源或電流源均可。系統的電壓調節可以通過阻抗網絡來實現，具有較寬的電壓調節范圍。同時電路可靠性高，在燃料電池、光伏和風力發電等新能源領域具有重要的應用價值。[6][7]

如圖3為將Z源網絡引入到雙向直流變換器中的電路圖。

由圖可知，Z源網絡在電路中完全對稱，所以可以實現能量雙向傳輸，大大的節省了設備的體積，提高了設備運行的效率，通過與SEPIC電路相似的電路工作原理分析得出，此電路的輸入輸出比為：

當D<2/3時?<1即實現降壓功能，當D>2/3時，?>1即實現升壓功能，且當導通比D接近0.5時升壓比可無窮大；而對于傳統的電路而言，當D<0.5時?<1即實現降壓功能，當D>0.5時，?>1即實現升壓功能，且當導通比D接近1時升壓比才可無窮大。

4.結論

本文將Z源網絡應用在傳統的DC-DC直流變換器中進行了新的拓撲，得出了基于Z源網絡的直流變換器具有傳統直流變換器所不具有的優勢，相比于純銅的直流變換器升降壓幅度提高，導通比總小于0.5，雙環控制中電流內環顯然無需斜坡補償，且主開關的開關導通時間較短，開關截止時間長，有利于散熱，拓撲簡單，增加器件數量少，成本增加不多。

[1]房緒鵬.Z源直流變換器[J].電氣應用,2005,24(2):123.

[2]彭方正.Z源升壓變換器[J].電氣傳動,2006,36(1):28.

[3]王利民.阻抗源直流變流器的研究[D].杭州:浙江大學,2006.

[4]張占松.開關電源的原理與設計[M].北京:電子工業出版社,1998.

[5]王兆安,黃俊.電力電子技術[M].機械工業出版社,2002,l.

[6]張占松,蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].電子工業出版社,2004,9.

[7]阮新波.AFamilyofThreeleveleonverters.會議報告[D].月合肥工業大學,2006.

[8]Buck三電平直流變換器的研究[D].南京航空航天大學碩士論文,2003,7.