一種新型準(zhǔn)Z源三電平Boost 直流變換器的研究

張啟亮，劉倩影

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)寧供電公司，山東 濟(jì)寧 272000）

0 引言

目前，傳統(tǒng)三電平Boost直流變換器具有開(kāi)關(guān)器件的電壓應(yīng)力低、儲(chǔ)能電容、電感體積小的優(yōu)點(diǎn)，但仍存在輸入輸出不共地的問(wèn)題；共地三電平Boost直流變換器雖保留了傳統(tǒng)三電平Boost直流變換器1／2輸出電壓的開(kāi)關(guān)器件電壓應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在飛跨電容電壓嚴(yán)重偏離1／2輸出電壓的現(xiàn)象［1］；傳統(tǒng)Z源Boost直流變換器利用Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)把輸入燃料電池和輸出高壓負(fù)載連接起來(lái)，通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間提升了變換器的升壓能力，與傳統(tǒng)Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)相比，準(zhǔn)Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)電路拓?fù)漭斎牒洼敵鲇幸粋€(gè)公共的接地點(diǎn)，有效減少了電磁干擾［2-3］，但其開(kāi)關(guān)器件電壓應(yīng)力依然較大［4-5］。針對(duì)以上問(wèn)題，提出一種新型準(zhǔn)Z源三電平Boost直流變換器，并采取交錯(cuò)調(diào)制策略對(duì)其進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。最后，通過(guò)MATLAB仿真分析，驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的正確性。

1 新型準(zhǔn)Z源三電平Boost直流變換器

針對(duì)共地三電平Boost直流變換器和準(zhǔn)Z源Boost直流變換器存在的問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)有變換器拓?fù)溥M(jìn)行了改進(jìn)，提出一種新型準(zhǔn)Z源三電平Boost直流變換器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型準(zhǔn)Z源三電平Boost直流變換器拓?fù)?/p>

圖 1 中二極管 D1，電感 L1、L2和電容 C1、C2組成準(zhǔn) Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)；電感 L2，功率開(kāi)關(guān) Q1、Q2，二極管D2、D3，飛跨電容C3和輸出側(cè)濾波電容C4組成三電平升壓變換器；二極管DFC串聯(lián)于燃料電池輸出側(cè)，防止電流回流。

2 交錯(cuò)調(diào)制策略

根據(jù)準(zhǔn)Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)的工作原理，二極管D1的開(kāi)關(guān)狀態(tài)受變換器功率開(kāi)關(guān)Q1、Q2控制。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)Q1、Q2均導(dǎo)通時(shí)，二極管D1截止，功率開(kāi)關(guān)Q1、Q2為其他開(kāi)關(guān)組合時(shí)，二極管D1導(dǎo)通。該變換器在交錯(cuò)調(diào)制策略下，Q1和Q2的導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間相同，通過(guò)載波移相使得Q1、Q2只具有 01、11、10 三種開(kāi)關(guān)狀態(tài)［6-7］。變換器在交錯(cuò)調(diào)制策略下控制信號(hào)波形如圖2所示。

圖2 新型變換器交錯(cuò)調(diào)制控制信號(hào)

由圖2可得在一個(gè)載波周期T內(nèi)，開(kāi)關(guān)狀態(tài)1、2、3 所占的時(shí)間 T1、T2、T3為

式中：m為調(diào)制度。

保證變換器工作在交錯(cuò)調(diào)制策略下，要求調(diào)制度m＞0.5，m＞α成立。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，一個(gè)載波周期T內(nèi)儲(chǔ)能電感L1、L2有兩個(gè)充電過(guò)程，兩個(gè)放電過(guò)程。其中，電感的兩個(gè)放電時(shí)間相同，兩個(gè)充電時(shí)間分配的不同，充電時(shí)間不同導(dǎo)致電感電流波動(dòng)的幅值變化。當(dāng)兩個(gè)充電時(shí)間相同時(shí)，電感電流波動(dòng)最小，此時(shí)有

計(jì)算得α=0.5，即功率開(kāi)關(guān)Q2三角形載波的移相角為180°。此時(shí)，電感在整個(gè)載波周期存在兩次充放電過(guò)程，且兩個(gè)充放電過(guò)程時(shí)間完全相同，實(shí)現(xiàn)了電感電流倍頻。功率開(kāi)關(guān)Q1、Q2的工作頻率是電感電流波動(dòng)頻率的一半，大大減小了電感的體積。充電時(shí)間的平均分配使得二極管D1的導(dǎo)通、截止時(shí)間分配更加合理，避免變換器在高增益條件下，出現(xiàn)極端占空比。

根據(jù)伏秒平衡原理，電感在一個(gè)載波周期T內(nèi)儲(chǔ)存和釋放的電量相等，分別對(duì)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(tài)時(shí)，有

由式（4）可以看出，新型變換器電容 C1、C2所承受的電壓應(yīng)力與兩電平準(zhǔn)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?fù)浔旧斫Y(jié)構(gòu)使得飛跨電容C3的電壓UC3動(dòng)態(tài)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(jiǎn)單。

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

式（6）中調(diào)制度 0.5＜m＜0.75，可以看出當(dāng)調(diào)制度m接近0.5時(shí)，理論升壓倍數(shù)為2，當(dāng)調(diào)制度m接近0.75時(shí)，理論升壓增益為一個(gè)極大值，從而避免出現(xiàn)在高升壓比時(shí)的極端占空比的現(xiàn)象。

圖3 準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證準(zhǔn)Z源三電平Boost直流變換器新型拓?fù)浜涂刂品椒ǖ挠行裕肕atlab／Simulink搭建系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行仿真，模型如圖3所示。

3.1 仿真分析

當(dāng)變換器工作在輸出功率1 200 W、輸出電壓400 V 閉環(huán)、輸入電壓 80 V 時(shí)，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(zhǔn)Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)。

圖4 變換器電容電壓、電感電流波形

當(dāng)變換器工作在輸入電壓50 V，輸出電壓400 V閉環(huán)條件下，各開(kāi)關(guān)器件的電壓應(yīng)力波形如圖5所示。由圖5看出各開(kāi)關(guān)器件的電壓應(yīng)力均為200 V（0.5UO），減小了變換器的開(kāi)關(guān)損耗，提高了變換器的效率。

圖5 開(kāi)關(guān)器件的應(yīng)力波形

在變換器無(wú)閉環(huán)控制策略條件下，輸出電壓UO和飛跨電容電壓UC3動(dòng)態(tài)波形如圖6所示。由圖6可以看出變換器啟動(dòng)過(guò)程中飛跨電容電壓UC3始終動(dòng)態(tài)跟蹤0.5UO。

圖6 輸出電壓UO和飛跨電容電壓UC3波形

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)新型三電平準(zhǔn)Z源Boost直流變換器，并提出其交錯(cuò)調(diào)制控制策略，通過(guò)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(yán)重偏離1／2輸出電壓及準(zhǔn)Z源Boost直流變換器的開(kāi)關(guān)器件電壓應(yīng)力大等問(wèn)題。仿真表明，該變換器飛跨電容、電感電流、開(kāi)關(guān)器件的電壓應(yīng)力均符合理論分析，具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

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