Z 源升壓變換器電路建模與控制研究

李明，李永華

（陽江職業技術學院 機電系，廣東陽江，529566）

0 引言

近年來，太陽能、光伏等可再生能源發電技術發展迅速。高升壓比DC/DC 變換器對輸入電壓范圍提出了越來越高的要求，作為新能源發電技術中的關鍵環節，DC/DC 變換器的研究與應用受到了廣泛關注[1]。Boost 變換器是最常用的DC/DC 變換器拓撲結構，但其輸出電壓有限，當開關管占空比非常接近1 時，Boost 變換器才能達到較大的升壓比[2]。Z源升壓變換器將Boost 變換器的輸入電感用Z 源拓撲代替以連接輸入電源和輸出整流電路，通過控制主開關管占空比實現升壓，在占空比小于0.5 的情況下也可以使升壓因子達到（1-D）/(1-2D)[3]。

為了能夠更好地利用Z源升壓變換器，本文應用狀態空間法，將Z源升壓變換器電路模型進行了小信號建模，并設定主電路參數對此變換器進行頻域分析，為其控制器的設計奠定理論基礎。根據結果進行了電流和電壓雙閉環控制設計，并計算該工作模式時的閉環控制參數。通過PSIM 仿真給出了系統的雙閉環補償前后的輸出電壓波形圖。最后通過實驗驗證了理論分析的正確認性。

1 Z源升壓變換器電路建模

■1.1 Z源升壓變換器電路

圖1 為Z源升壓變換器原理圖[4]，其中Z 源網絡由L1、L2、C1、C2 共同組成，S 為主開關。

圖1 Z源升壓變換器拓撲電路

對一個開關周期T內，可分為導通和截止兩個子時間段，假定占空比為d。在0≤t≤dT時S 導通，其等效電路如圖2(a)所示；在dT≤t≤T 時S 截止，其等效電路如圖2(b)所示。

圖2 Z源升壓變換器等效電路

圖3 傳遞函數的波特圖

圖4 電流環的控制策略

圖5 電壓環的控制策略

■1.2 建模過程

導通狀態時的方程如下：

截止狀態時的方程如下：

其中：

由于Z 源網絡具有對稱性，根據電路的等效性和對稱可得[6]：

■1.3 頻域分析

2 Z源升壓變換器控制方法

綜合上述電流電壓控制，可得Z 源升壓變換器的控制策略如圖6 所示。

圖6 Z源升壓變換器的控制策略

3 仿真分析與實驗驗證

為了驗證前述理論分析正確性，利用PSIM 軟件搭建仿真電路，并在實驗室搭建小功率硬件電路，在電流連續工作模式下進行仿真和實驗。仿真參數如前所述：L1=L2=0.1 mH，C1=C2=100μF,L3=0.2 mH，C3=400 μF，R=150 Ω，Vg=12V，D=0.4。另設定開關管頻率為20 kHz。開環和雙閉環控制下輸出電壓的仿真波形分別如圖7(a)、7(b)所示。

圖7 輸出電壓波形

從圖7 中可以看出沒有控制環節的電壓輸出紋波較大，不易濾除。增加了本文所設計的電流電壓雙閉環控制部分后能得到比較理想的波形。

Z源升壓變換器實驗參數與仿真參數一致。當加入雙閉環控制后，輸出電壓的波形和仿真波形相符。

4 結束語