幾種Z源全橋DC-DC變換器的比較研究

廣州大學機械與電氣工程學院　曾范盛　王曉剛

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幾種Z源全橋DC-DC變換器的比較研究

廣州大學機械與電氣工程學院曾范盛王曉剛

【摘要】Z源全橋DC-DC變換器有較高的可靠性,但同時也具有電容電壓應力較大，存在啟動沖擊等問題。準Z源網絡和開關電感型Z源網絡是在Z源網絡的基礎上改進得到，但也只能改善Z源網絡存在的部分問題，這就導致使用者無法準確選擇合適的電路拓撲。為此，本文對這三種全橋變換器拓撲進行了理論分析和仿真研究，從應用場合、性能優劣等方面進行了區分，為使用者提供參考。

【關鍵詞】Z源；直通占空比；升壓能力；電壓應力

0　引言

為了解決Z源全橋DC-DC變換器存在的這些缺陷，國內外學者提出多種改進型的Z源網絡，這些改進型拓撲在完善Z源變換器缺陷方面各有長處和欠缺。本文將對Z源、準Z源和開關電感型Z源全橋DC-DC變換器的工作原理進行詳細的分析，并對三種變換器的性能進行對比，以便使用者能夠準確選用需要使用的變換器拓撲[4-6]。

1　三種Z源全橋DC-DC變換器的工作原理

1.1Z源全橋DC-DC變換器的工作原理

主電路拓撲如圖1所示。

圖1　Z源全橋DC-DC變換器主電路拓撲圖

Z源網絡的2個電容和2個電感對稱連接組成，取電容值C1=C2=C,電感值L1=L2=L,由此可得uC1=uC2=uC、uL1=uL2=uL。其在直通和非直通工作模式下的等效電路圖如圖2所示，Udc為Z源網絡的輸出電壓，Uin為輸入電壓。

圖2　Z源網絡工作時等效電路圖

由伏秒平衡原理，即在一個周期內電感的平均電壓為零[7-8]。設開關周期為T，直通占空比為D，逆變橋臂直通時間Ton=DT 、非直通時間Toff=(1-D)T。 則有：

由式（1）、（2）、（3）可得：

由式（4）可得Z源網絡的升壓因子B=1/(1-2D)。

1.2準Z源全橋DC-DC變換器的工作原理

秀容月明一邊跑，一邊朝天上望，今晚的月亮又大又亮，我在看月亮，喬瞧也在看月亮吧？秀容月明忽然想到了母親，我走的時候，真該去看看母親，我再回來，也不知什么時候了。

主電路拓撲如圖3所示。

圖3　準Z源全橋DC-DC變換器主電路拓撲圖

準Z源網絡在直通和非直通工作模式下的等效電路圖如圖4所示。

圖4　準Z源網絡工作時等效電路圖

由伏秒平衡原理可得：

由式（5）、（6）、（7）可得：

由式（8）可得準Z源網絡的升壓因子B=1/(1-2D)，與Z源網絡的升壓因子相等。

1.3開關電感型Z源全橋DC-DC變換器的工作原理

主電路拓撲如圖5所示。

圖5　開關電感型Z源全橋DC-DC變換器的主電路拓撲圖

開關電感型Z源網絡中，L1、L3、D1、D2、D3和L2、L4、D4、D5、D6分別組成上下兩個開關電感單元，且參數相同，在主電路開關過程中起到能量存儲和向直流鏈路傳遞能量的作用[9-10]。其在直通和非直通工作模式下的等效電路圖如圖6所示。

圖6　開關電感型Z源網絡工作時等效電路圖

由伏秒平衡原理得：聯立（9）、（10）、（11）整理可得：

由式（12）可知開關電感型Z源全橋DC-DC變換器的升壓因子B=(1+D)/(1-3D)。

圖7　Z源全橋DC-DC變換器仿真電路圖

2　三種Z源全橋DC-DC變換器的仿真比較研究

在理論分析的基礎上，利用PSIM軟件對3種變換器拓撲進行開環仿真研究。仿真模型如圖7所示，電路其他部分保持不變，Z源網絡部分分別為前面研究的3種拓撲，仿真參數為：輸入直流電壓為100V，開關管的開關頻率為20KHZ,每個橋臂的開關管導通占空比為0.6，且相位相差180o,可知逆變橋臂的直通占空比為0.2，Z源網絡電感和電容參數

通過對3種Z源全橋DC-DC變換器的仿真，可以得到仿真數據如表1所示。

表1　3種全橋DC-DC變化器的仿真結果及性能對比表

對比仿真結果可以看出，Z源全橋DC-DC變換器在開關管導通有很大的沖擊電流；穩態后電流不連續；電容電壓較高；升壓能力有限。在克服Z源網絡以上問題方面，兩種改進型網絡在不同方面表現不同的能力。

在提高升壓能力方面，開關電感型Z源網絡升壓能力最強，適合輸出較高直流電壓的場合，但其電容電壓很大，無疑會增加變換器的體積和成本。Z源網絡與準Z源網絡升壓能力一樣。在降低電容電壓應力方面，準Z源網絡的一個電容電壓明顯小于Z源網絡的，從而有效減小變換器的體積和成本。在抑制啟動沖擊，解決輸入電流不連續方面，顯然準Z源網絡更有優勢，不僅能有效的抑制啟動沖擊，減小沖擊電流，且使輸入電流連續，提高了變換器可靠性和輸入電源的使用壽命。而開關電感型Z源網絡也可有效抑制啟動沖擊，但是輸入電流不連續。在拓撲成本和變換器體積方面準Z源網絡體積最小成本必然最低，開關電感型Z源網絡增加的元器件相對較多，體積最大，成本也最高。

3　結論

通過本文的分析總結可知：準Z源網絡在改善電容電壓應力和啟動沖擊方面性能優越，升壓能力與Z源網絡相同，適用于輸出電壓不是很大，但對輸出電壓要求嚴格的場合。開關電感型Z源網絡升壓能力較前兩種阻抗網絡大幅度提升，抑制啟動沖擊方面效果也非常好，但是很高的電容電壓應力和更多元器件的加入，對變換器的體積和成本是一種挑戰，適用于大功率的場合。

參考文獻

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曾范盛（1987—），男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子技術等。

王曉剛（1976—），博士，副教授，主要研究方向：電力電子技術和微電網技術等。

作者簡介：

基金項目：廣東省科技計劃項目（2015A010106015）。