改進型準Z源DC-DC變換器在電動汽車上的應用＊

房緒鵬 馬伯龍 于志學 秦明

（山東科技大學，青島 266590）

改進型準Z源DC-DC變換器在電動汽車上的應用＊

房緒鵬 馬伯龍 于志學 秦明

（山東科技大學，青島 266590）

為了改進電動汽車供電系統的DC-DC變換電路，以及克服傳統Z源拓撲結構電壓增益小、啟動沖擊嚴重、輸入電流斷續等問題，提出了一種改進型準Z源DC-DC變換器。分析了該變換器電路的拓撲結構、工作原理，推導出了變換器的電壓增益。與傳統Z源相比，在相同占空比情況下，改進型變換器具有更大的電壓增益及輸入電流連續等特點。根據拓撲結構搭建了仿真模型和試驗樣機，對改進型變換器進行了穩態分析，驗證了該變換器的可靠性和可行性。

1 前言

光伏電動汽車以其清潔、高效、可持續發展的特點成為眾多學者研究的熱點，而對于光伏電動汽車的重要設備DC-DC升壓變換器的研究也成為新潮流[1]。傳統的DC-DC變換器以Buck和Boost兩種基本電路為基礎，當開關管占空比接近1時，Boost變換器的電壓增益才足夠大，這會導致電動汽車的供電系統在控制、發熱、效率等方面的缺陷[2]。為了克服這些不足，王利民等人[2]提出了一種Z源升壓變換器電路結構，其采用的X型Z源網絡具有可升/降壓、安全性能高、效率高（單級電路）等優點，但電壓增益依然有限，且存在電容器電壓應力較大、啟動電流大等缺陷；Anderson J等人[3]提出了一種準Z源變換器電路結構，優化了Z源儲能網絡，使儲能網絡中的一個電容的電壓應力大大減小，但是電壓增益依然有限；侯世英等人[4]提出在傳統Z源電路結構的基礎上增加1個有源開關及電感，結合傳統Z源網絡中的輸入二極管在前級構成一個等效Boost電路，以提高電路的電壓增益，同時由于電感的加入抑制了啟動沖擊電流，并且保證了輸入電流的連續性。

為了進一步提升電壓增益，本文在傳統Z源變換器的基礎上，并結合文獻[3]和文獻[4]中變換器的優點，提出了一種改進型準Z源DC-DC變換器，并根據電路結構搭建了仿真模型和試驗樣機，對該變換器進行了仿真與試驗驗證。

2 電動汽車供電系統

光伏電動汽車的供電系統由太陽能板、DC-DC變換器、蓄電池、逆變器、直流負載、電動機等組成，如圖1所示。在有光照時，汽車頂部的太陽能板吸收太陽光并將光能轉換成電能，然后經DC-DC變換器升壓變換后，一部分能量直接供汽車的直流負載設備，另一部分能量經過逆變器轉換為交流電為電動機和其它交流負載設備供電，并將多余的直流電儲存在蓄電池中。在陰雨天或夜晚，蓄電池經DC-DC變換器向電動汽車反向供電[5,6]。

3 改進型準Z源DC-DC變換器的電路結構

改進型準Z源DC-DC變換器電路結構如圖2所示。圖2中，輸入電源、開關管S2、二極管D、電感L3、電容器C3、濾波電感Lf、濾波電容Cf、負載R組成近似Boost電路，與后級準Z源網絡級聯，從而提高升壓增益，其中準Z源網絡由電感（L1、L2）、電容器（C1、C2）、開關管S3組成，如圖2虛線框部分所示。變換器的輔助開關管S2、S3與主開關管S1是全控型電子電力開關器件（IGBT）。由于前級電路中的電感L3能夠使輸入電流連續，可以避免啟動時的沖擊電流，所以該電路結構具有延展型[7]。

4 改進型準Z源DC-DC變換器工作原理

忽略改進型準Z源DC-DC變換器中各元器件的自身壓降，設電路工作在電感電流連續的理想狀態，其工作原理分析如下。

改進型準Z源DC-DC變換器的控制信號采用互補的PWM脈沖，輔助開關管S2、S3控制信號相同且在一個開關周期T內與主開關管S1嚴格互補導通,控制時序如圖3所示。

變換器在不同的占空比D下通過電感和電容器儲能的多少來控制輸出電壓的大小。根據一個周期內全控型電子電力開關器件的導通和關斷，改進型準Z源DC-DC變換器分為兩種工作狀態。為了使準Z源網絡具有對稱性，設置電容器C1與C2的電容量均為C；電感L1與L2的電感量均為L，由電路的對稱性和等效性可知：

b.工作狀態2：如圖5所示，S1關斷，S2、S3導通，此時輸入電源和電感L3既給電容器C3充電，也通過準Z源網絡給濾波電感Lf和負載R供電，準Z源網絡的電感L1、L2給電容器C1、C2充電，根據基爾霍夫電壓定律可得：

令一個周期（工作狀態1和工作狀態2）的時間為T，S1開通時間的占空比為D，則S1的開通時間為t1=DT，S1關斷時間為t2=（1-D）T,由于S2、S3和S1互補，所以S2、S3關斷時間為DT,導通時間為（1-D）T[8]，根據穩態電感電磁通守恒定律,改進型準Z源DC-DC變換器的電感L1、L3、Lf在一個周期內伏秒平衡[9]，則

解方程組（4）可得：

式中，B為電壓增益。

由式（7）可知，當占空比0＜D＜0.5時,改進型準Z源DC-DC變換器比傳統Z源DC-DC變換器在占空比D較小的情況下更容易實現升壓功能[10]。

由文獻[2]可知，傳統Z源DC-DC變換器的增益公式為：

根據式（7）和式（8），利用MATLAB/Figure軟件繪制出傳統型和改進型兩種變換器電壓增益B與占空比D之間的關系，如圖6所示。

由圖6可看出，當占空比0＜D＜0.5時，在同一占空比下，改進型準Z源DC-DC變換器的電壓增益大于傳統Z源變換器的電壓增益，理論上可實現任意倍數升壓功能，這樣改進型準Z源DC-DC變換器在獲得較高的電壓時，功率開關管在一個周期內導通時間較短，有利于功率開關管的散熱，提高系統的工作效率和穩定性[11]。

5 仿真驗證

為驗證改進型準Z源DC-DC變換器具有高電壓增益、輸入電流連續的優點，對該變換器在開環方式下的運行狀態進行仿真分析。根據改進型準Z源DC-DC變換器電路結構，在MATLAB/Simulink環境下搭建仿真電路，仿真參數如表1所列，仿真波形如圖7所示。

表1 仿真參數

根據式（7）可得，當Ui=12 V，D=0.24時，改進型準Z源DC-DC變換器的輸出電壓理論值為23.08 V。由圖7可看出，在輸入電壓為12 V、占空比為0.24時，改進型準Z源DC-DC變換器的輸出電壓為22.70 V，仿真結果與理論分析結果較一致。由此表明，改進型準Z源DCDC變換器具有較大的電壓增益；另外，主開關管S1的電壓值在IGBT的耐壓范圍之內，可以安全地正常工作；輸入電流連續，能夠抑制對輸入電源的沖擊。

6 試驗驗證

為了進一步驗證改進型準Z源DC-DC變換器電路理論分析的正確性，在實驗室搭建了小功率的試驗樣機，樣機的元器件參數與仿真參數相同?？刂撇糠植捎肨MS320F2812芯片輸出3路PWM信號波形，全控型電子電力開關器件IGBT為H20R1203 HFL552型，其允許的最大電流為20 A，允許最大電壓為1 200 V，驅動電路采用落木源KA962D驅動板。當輸入電壓Ui=12 V,占空比D=0.24時，在電感電流連續工作模式下進行開環試驗，利用示波器測得改進型準Z源DC-DC變換器的輸出電壓、主開關管電壓、輸入電流的波形如圖8所示。

從圖8可看出，所測得的輸出電壓為22.3 V,考慮器件本身的壓降等因素，試驗的輸出電壓接近理論值23.08 V；主開關的峰值電壓均小于40 V,在IGBT的耐壓范圍內；輸入電流連續，升壓效果明顯，可實現光伏電動汽車的直流升壓功能，進一步驗證了理論分析和仿真的正確性。

7 結束語

在傳統準Z源電路結構的基礎上，本文提出了一種改進型準Z源DC-DC變換器，與傳統Z源變換器相比，該變換器具有電壓增益大、輸入電流連續、啟動沖擊電流小等特點。該變換器可以在占空比較小的條件下實現較高的電壓增益，這樣在一個周期內導通時間較短，減少了開關管的損耗，有利于開關管的散熱，提高系統的工作效率。

1 汪妍冰,雷勇,李媛,等.基于準Z源的多電平光伏并網控制系統研究.高壓電器.2016(6)：124～129.

2 王利民,錢照明,彭方正.Z源升壓變換器.電氣傳動,2006, 36(1)：28～30.

3 Anderson J,Peng F Z.Four Quasi-Z-Source Inverters，Pow?er Electronics Specialists Conference.Greece：IEEE,2008：2743～2749.

4 侯世英,黃哲,肖旭,等.改進型Z源并網逆變器.電機與控制學報,2012,16(12)：47～53.

5 王豐,炒敏,李晶，等.雙向DC-DC變換器在汽車雙電壓系統中的應用研究.中國電工技術學會電力電子學會第十一屆學術年會，杭州，2008.

6 房緒鵬,莊見偉,李輝,等.一種車用雙電源系統中新型雙向DC-DC變流器研究.汽車技術,2016(7)：12～16

7 徐聰,程啟明,李明,等.Z源逆變器及其多種改進拓撲結構的比較.電網技術,2014,38(10)：2926～2931.

8 房緒鵬,馬伯龍,董召龍,等.一種準Z源升壓型DC-DC變換器.工礦自動化,2017,43(4)：68～71.

9 房緒鵬,莊見偉,李輝,等.新型電流型雙向功率流準Z源直流變換器.電氣傳動,2017,47(1)：32～35.

10 王樹文,單碩碩,張洋,等.改進型準Z源逆變器.電力自動化設備,2016,36(9)：142～150.

11 周翔,許建平,陳長勇.高升壓增益軟開關DC-DC變換器.電工技術學報，2016,31(14)：156～164.

（責任編輯 文 楫）

修改稿收到日期為2016年12月5日。

Application of Improved Quasi-Z-Source DC-DC Converter in Electric Vehicle

Fang Xupeng,Ma Bolong,Yu Zhixue,Qin Ming
（Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590）

To improve the DC-DC converter of the electrical power supply system of electric vehicle,and overcome the shortcomings of traditional Z-source topological structure such as low voltage gain,serious start-up shock and discontinuous input current,an improved quasi Z-source DC-DC converter was proposed.The topological structure and its working principle were analyzed,and voltage gain of the converter was derived.Compared with the traditional Z-source,the improved converter has advantages of higher voltage gain and continuous input current.Simulation model and test prototype were built according to the topological structure,and steady analysis was made,proving reliability and feasibility of the converter.

Electric vehicle,DC-DC converter,Quasi-Z-source,Improvement

電動汽車 DC-DC變換器 準Z源 改進

U469.72+1

A

1000-3703（2017）07-0059-04

山東省自然科學基金資助項目（ZR2009FM017）、山東科技大學研究生科技創新基金項目（YC140337）。