一種新型準Z源三電平Boost 直流變換器的研究

張啟亮，劉倩影

（國網山東省電力公司濟寧供電公司，山東 濟寧 272000）

0 引言

目前，傳統三電平Boost直流變換器具有開關器件的電壓應力低、儲能電容、電感體積小的優點，但仍存在輸入輸出不共地的問題；共地三電平Boost直流變換器雖保留了傳統三電平Boost直流變換器1／2輸出電壓的開關器件電壓應力的優點，但在實際應用中仍存在飛跨電容電壓嚴重偏離1／2輸出電壓的現象［1］；傳統Z源Boost直流變換器利用Z源阻抗網絡把輸入燃料電池和輸出高壓負載連接起來，通過控制功率開關的導通時間提升了變換器的升壓能力，與傳統Z源阻抗網絡相比，準Z源阻抗網絡電路拓撲輸入和輸出有一個公共的接地點，有效減少了電磁干擾［2-3］，但其開關器件電壓應力依然較大［4-5］。針對以上問題，提出一種新型準Z源三電平Boost直流變換器，并采取交錯調制策略對其進行了仿真試驗。最后，通過MATLAB仿真分析，驗證了理論推導的正確性。

1 新型準Z源三電平Boost直流變換器

針對共地三電平Boost直流變換器和準Z源Boost直流變換器存在的問題，對現有變換器拓撲進行了改進，提出一種新型準Z源三電平Boost直流變換器，其拓撲結構如圖1所示。

圖1 新型準Z源三電平Boost直流變換器拓撲

圖 1 中二極管 D1，電感 L1、L2和電容 C1、C2組成準 Z源阻抗網絡；電感 L2，功率開關 Q1、Q2，二極管D2、D3，飛跨電容C3和輸出側濾波電容C4組成三電平升壓變換器；二極管DFC串聯于燃料電池輸出側，防止電流回流。

2 交錯調制策略

根據準Z源阻抗網絡的工作原理，二極管D1的開關狀態受變換器功率開關Q1、Q2控制。當功率開關Q1、Q2均導通時，二極管D1截止，功率開關Q1、Q2為其他開關組合時，二極管D1導通。該變換器在交錯調制策略下，Q1和Q2的導通持續時間相同，通過載波移相使得Q1、Q2只具有 01、11、10 三種開關狀態［6-7］。變換器在交錯調制策略下控制信號波形如圖2所示。

圖2 新型變換器交錯調制控制信號

由圖2可得在一個載波周期T內，開關狀態1、2、3 所占的時間 T1、T2、T3為

式中：m為調制度。

保證變換器工作在交錯調制策略下，要求調制度m＞0.5，m＞α成立。通過分析發現，一個載波周期T內儲能電感L1、L2有兩個充電過程，兩個放電過程。其中，電感的兩個放電時間相同，兩個充電時間分配的不同，充電時間不同導致電感電流波動的幅值變化。當兩個充電時間相同時，電感電流波動最小，此時有

計算得α=0.5，即功率開關Q2三角形載波的移相角為180°。此時，電感在整個載波周期存在兩次充放電過程，且兩個充放電過程時間完全相同，實現了電感電流倍頻。功率開關Q1、Q2的工作頻率是電感電流波動頻率的一半，大大減小了電感的體積。充電時間的平均分配使得二極管D1的導通、截止時間分配更加合理，避免變換器在高增益條件下，出現極端占空比。

根據伏秒平衡原理，電感在一個載波周期T內儲存和釋放的電量相等，分別對電感L1、L2建立伏秒平衡方程

將式（1）代入式（3）中整理得

飛跨電容C3的電壓為保持狀態時，有

由式（4）可以看出，新型變換器電容 C1、C2所承受的電壓應力與兩電平準Z源Boost直流變換器相比大大減小。由式（5）可以得，不用任何均壓措施，僅靠拓撲本身結構使得飛跨電容C3的電壓UC3動態跟隨輸出電壓Uo的0.5倍，從而使變換器的控制策略更加簡單。

由式（4）、（5）可以得出新型準Z源三電平Boost變換器在交錯調制策略下的電壓增益M2為

式（6）中調制度 0.5＜m＜0.75，可以看出當調制度m接近0.5時，理論升壓倍數為2，當調制度m接近0.75時，理論升壓增益為一個極大值，從而避免出現在高升壓比時的極端占空比的現象。

圖3 準Z源三電平Boost直流變換器仿真模型

3 直流變換器的仿真實驗

為了驗證準Z源三電平Boost直流變換器新型拓撲和控制方法的有效性，利用Matlab／Simulink搭建系統仿真模型進行仿真，模型如圖3所示。

3.1 仿真分析

當變換器工作在輸出功率1 200 W、輸出電壓400 V 閉環、輸入電壓 80 V 時，電容 C1、C2、C3的電壓和電感L1、L2的電流波形如圖4所示。由圖4可以看出飛跨電容 C3的電壓 UC3等于0.5UO，電容C1、C2的電壓UC1、UC2也符合理論推理，電感電流iL1=iL2符合準Z源阻抗網絡的性質。

圖4 變換器電容電壓、電感電流波形

當變換器工作在輸入電壓50 V，輸出電壓400 V閉環條件下，各開關器件的電壓應力波形如圖5所示。由圖5看出各開關器件的電壓應力均為200 V（0.5UO），減小了變換器的開關損耗，提高了變換器的效率。

圖5 開關器件的應力波形

在變換器無閉環控制策略條件下，輸出電壓UO和飛跨電容電壓UC3動態波形如圖6所示。由圖6可以看出變換器啟動過程中飛跨電容電壓UC3始終動態跟蹤0.5UO。

圖6 輸出電壓UO和飛跨電容電壓UC3波形

4 結語

設計新型三電平準Z源Boost直流變換器，并提出其交錯調制控制策略，通過理論分析，該變換器可有效解決共地三電平Boost直流變換器的飛跨電容電壓嚴重偏離1／2輸出電壓及準Z源Boost直流變換器的開關器件電壓應力大等問題。仿真表明，該變換器飛跨電容、電感電流、開關器件的電壓應力均符合理論分析，具有良好的動態性能。

［1］張元媛，阮新波．多電平直流變換器中飛跨電容電壓的一種控制策略［J］．中國電機工程學報，2004，24（8）：34-38．

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