一種準Z-源DC-DC變流器的研究＊

劉勝杰，吳苓芝

（青島理工大學 自動化工程學院，山東 青島 266520）

隨著科學技術的高速發展，開關電源由于具有低成本、小型化、高效率、高可靠性和穩壓范圍寬等優點，在自動控制、航空航天及新能源等眾多領域得到了廣泛使用。傳統的拓撲結構是Buck型或Boost型電路結構，雖然它們發展了多年，且控制技術也己經非常成熟，但是卻擺脫不了只能是單一結構這一固有缺點，從而使得傳統的電路拓撲結構在一些復雜的應用場合受到了挑戰[1]。為了克服上述理論缺陷，參考文獻[1]提出了一種新型的拓撲—Z-源網絡，為功率變換提供了一種新的思路和理論。與常規的拓撲結構相比，Z-源拓撲無需前級的boost或者 buck電路，增加了一個包含電感 L1、L2和電容器 C1、C2的Z-源網絡。Z-源拓撲由于采用了獨特的 X型 Z-源網絡電路而獲得了升/降壓、安全性能高、效率高（單級電路）等特點。Z-源網絡的加入對系統的動態性能有一定的影響，在開關電源的實際應用場合，體積、重量、動態響應和對負載的適應性都是至關重要的因素。針對Z-源拓撲的一些不足，參考文獻[1]在常規Z-源拓撲的基礎上又提出了一種新型結構——準Z-源拓撲。準Z-源拓撲和Z-源拓撲的基本原理大致相同。理論上來說，對于Z-源拓撲的各種控制方法和應用都可以推廣到準Z-源拓撲上來。準Z-源拓撲作為一種全新的電力電子拓撲和理論，是對傳統意義上DC-DC拓撲的一個突破，是變流器研究的一個創新。

本文是在準Z-源逆變器的結構上提出的，研究了這種拓撲結構在DC-DC方面的應用，并通過搭建實驗樣機來進行了驗證。這種準Z-源拓撲電路無須調整，加電即可工作，可以提供更寬的輸出電壓范圍，輸出電壓質量高、結構簡單、性能穩定、反應靈敏且調壓精度高。

1 準Z-源變流器的結構和工作原理

1.1 準Z-源變流器的原理圖

準Z-源變流器由獨特的X型Z-源網絡構成，其主電路如圖1所示。其中的Z-源網絡由兩個相同的電感L1、L2和相同的電容 C1、C2構成， 準 Z-源拓撲通過開關管的導通和閉合實現電壓的改變，這為主電路根據需要升壓或降壓提供了一種新的機理。

圖1 準Z-源變流器的原理圖

1.2 準Z-源變流器的等效電路

為了便于分析，假設準Z-源網絡為對稱網絡，即L1=L2，C1=C2。當準Z-源網絡工作在開關管導通狀態時，電容放電供給負載，電源和電容同時為電感充電，續流二極管承受反向電壓而截止，其等效電路如圖2（a）所示。當準-Z源網絡工作在開關管關斷狀態時，電感放電，電源和電感同時為負載和電容供電，續流二極管正向導通，其等效電路如圖 2（b）所示，負載可以根據升降壓的需要，并聯在C1或C2兩端。圖2所示的電路表示了只加一種負載的情況。

圖2 準Z-源變流器的等效電路圖

1.3 準Z-源變流器占空比的推導

假定在一個開關周期T中，開關管導通狀態區間為T0，而開關管關斷狀態區間為 T1，則有 T=T0+T1，導通狀態的占空比為D=T0/T

當開關管處于導通狀態T0期間，由基爾霍夫電壓定律和圖 2（a）可以得到電感 L1、L2在此狀態下的電壓：

其中，Vin為 Z-源網絡電源電壓，VL1、VL2為在導通狀態下Z-源網絡電感的電壓，VC1、VC2為在導通狀態下Z-源網絡電容的電壓。

當開關管處于關斷狀態T1期間，由基爾霍夫電壓定律和圖 2（b）可以得到電感 L1、L2在此狀態下的電壓：

其中，Vin為 Z-源網絡電源電壓，VL1、VL2為在關斷狀態下Z-源網絡電感的電壓，VC1、VC2為在關斷狀態下Z-源網絡電容的電壓。

在穩態工作狀態下，開關電源的電感在一個周期中平均電壓為 0[2]，由式（1）、（2）可得：

由式（3）、（4）進一步推導可得：

式（5）、（6）的分子分母同時除以周期 T可得：

其中，Vout1、Vout2為并聯在 C1、C2兩端負載的電壓。

2 準Z-源變流器主電路設計

2.1 實驗樣機主電路原理圖

準-Z源變流器主電路原理圖如圖3所示。

圖3 準-Z源變流器主電路原理圖

主電路是準Z-源變流器電源能量的轉換電路，實現了從輸入電源側到最終負載側上直流電壓的形式的變換[2]。為了更加靈活地與控制電路、輔助電路相連接，設計主電路時留了很多端口。這些端口的功能是：P1、P8為電壓測量端口或負載接入端口；P2為電壓源側輸出電流測量端口；P3、P5為負載電流測量端口；P4為電源電壓輸入端口，可以接直流穩壓源或經交流電整流濾波后的直流電壓源；P6為占空比可調的PWM波輸入端口；P7為功率MOSFET管源漏極波形測量端口；P9為光耦輸出波形測量端口；P10為給光耦提供直流電壓源。R1和C3并聯在功率開關管兩端構成RC箝位吸收電路對其進行保護，R2和R3都為保護電阻。

2.2 電感參數的設計

準Z-源網絡的電感在開關管導通狀態中儲能，而在開關管關斷狀態中釋放電能。如果準Z-源網絡電感的電感量太小，儲能不夠，就會出現關斷狀態下的斷續電流模式，使得準Z-源變流器從原有的連續狀態進入斷續狀態，增加了系統控制的復雜度，而且這種斷續電流模式也使輸出電壓產生畸變，從而影響到輸出電壓的質量。考慮到準Z-源網絡的電感是直流電感，因此在設計時對直流電感上的電流紋波加以控制也是必要的。因此，從可靠、安全和抑制Z-源網絡電感電流紋波等因素考慮，應選擇足夠大的電感。但是，從工程設計的角度出發，電感的增大會導致損耗、體積和重量的增加[3]。因此，設計Z-源網絡電感的原則為在滿足運行特性及穩定性的基礎上盡量減小Z-源電感的取值。

電感值越大，紋波電流越小，線路的損耗就會減小，但電感損耗和體積都會增大。通常電感上的紋波電流選擇為額定電流的15%～25%，本文取值為20%。根據電感電流紋波設計的電感值的計算公式有：

其中，D為占空比，f為頻率，IAVG為穩態下電感電流的平均值。

開關管的工作頻率 f=20 kHz，占空比 D=0.2，IAVG=1.59 A，r=0.2，以準 Z-源網絡的降壓情況 VL=8 V為例，根據以上公式可得 L1=L2=251.12 μH。

2.3 電容參數的設計

準Z-源網絡電容的作用主要是吸收電流紋波和平滑電壓。選取時應該在滿足耐壓和電壓紋波的同時，選取耐溫升、ESR小的電容。電容值不能太小，否則需要更大的電感來滿足衰減的需要[3]。電容C可以通過下式計算：

當準Z-源變流器工作在通路狀態時，IC=IL；工作在開關管關斷狀態時，IC=IIN-IL。假設準Z-源網絡的電感較大，電感上的電流紋波較小，且在系統開關頻率足夠高時，電感電流可近似認為恒定為IAVG。如果采用簡單控制，準Z-源網絡中的電容電壓的高次諧波的脈動的頻率為開關頻率的2倍，即Δt=，可得：

由式（13）和實驗室現有元件，可取容量為 470 μF、耐壓為50 V的鋁電解電容，得出紋波電壓r為16.91 mV，滿足鋁電解電容紋波電壓一般在10 mV～100 mV之間的要求。

3 仿真及實驗結果分析

首先使用Saber軟件仿真所提出的準Z-源變流器，然后通過具體的實驗樣機實現這一拓撲，以進一步驗證它的正確性。

3.1 準Z-源變流器的仿真

根據準Z-源拓撲結構構建仿真電路，假設電源電壓為 24 V，電感 L1=L2=250 μH，電容 C1=C2=470 μF，開關管的工作頻率 f=20 kHz，占空比 D=0.2，并聯在 C1和C2兩端的負載R1=10 Ω，R2=50 Ω。仿真電路如圖4所示。

圖4 準Z-源變流器的仿真電路

圖5(d)所示為占空比可調的PWM波，控制MOSFET管的導通與關斷。通過改變圖4中constant值可以得到電路所需的占空比，進行不同情況的轉換。由式（7）、（8）計算可得輸出電壓的理論值，降壓達到8 V時其仿真結果如圖5（a）所示，升壓達到 32 V其仿真結果如圖 5（b）所示。

圖5 準Z-源變流器的電壓仿真分析波形

3.2 準Z-源變流器的實驗樣機

控制器是電源控制電路的核心，本文選用MSP430作為控制器。MSP430系列微處理器是美國德州儀器生產的一種16 bit超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器。它將多個功能不同的模擬電路模塊、數字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上以滿足不同的需要。其主要特點有：（1）超低功耗，電源電壓采用1.8～3.6 V低電壓，在活動模式時耗電 250 μA/MIPS，內設低電壓監測電路可以關閉暫時不使用的內部功能模塊。（2）豐富的片上外圍模塊，看門狗（WDT）定時器，模擬比較器 A，定時器 A（Timer_A3帶 3個捕獲/比較寄存器和 PWM輸出的 16 bit定時器），定時器 B（Timer_B7帶7個捕獲/比較寄存器和PWM輸出的 16 bit定時器），定時器內部電路如圖6所示。

圖6 MSP430定時器內部結構圖

由于MSP430的超低功耗和強大的數據處理能力，可以有效地消除電路引起的誤差，抑制干擾信號，提高輸出電壓的質量，控制電流的精度，在同類產品中有較高的性價比，因此本設計選用它作為控制器[4]。

在前面理論分析的基礎上，設計了一臺功率為50 W的實驗樣機，電源電壓24 V由直流穩壓源供給，光耦為TLP250驅動開關管，功率 MOSFET管為 IRF540N，二極管為SR520，其他采用仿真時的參數。

表1 實驗樣機采集的數據

本文提出的準Z-源DC-DC變流器與傳統的Buck型或Boost型 DC-DC變流器相比具有兩大優點：（1）可以在相同占空比時提供比Boost型拓撲更高的輸出電壓，同時能得到比Buck電路更低的輸出電壓；（2）準Z-源網絡由于采用獨特的X型Z-源網絡，把Buck型或Boost型電路得特點集成到一起，電路設計硬件簡單，性能穩定。在保證高精度的前提下成本低、效率高，能夠很好的穩定工作，可以適應一些的特殊需要，具有較好的推廣應用價值。

[1]ANDERSON J，PengFangzheng.FourQuasi-Z-source inverters[C].IEEE Power Electronics Specialists Conference，PESC′08， 2008：2743-2749.

[2]MANIKTALA S.精通開關電源設計[M].王志強，等，譯.北京：人民郵電出版社，2008.

[3]張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計（修訂版）[M].北京：電子工業出版社，2004.

[4]何希才.新型開關電源設計與應用（第一版）[M].北京：北京科學出版社，2001：19-34.