李文燕,周永勤,姜云峰,刁洪君

(哈爾濱理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,哈爾濱 150040)

0 引 言

目前應(yīng)用Z源進(jìn)行直流變換的電路拓?fù)渲写蟛糠侄贾荒軐?shí)現(xiàn)升壓變換功能,對(duì)于調(diào)壓范圍比較大的升降壓調(diào)壓電路就無(wú)法應(yīng)用這樣的拓?fù)?為此本文提出一種既能升壓也能降壓的Z源調(diào)壓電路拓?fù)洹?/p>

傳統(tǒng)的Sepic電路能實(shí)現(xiàn)升降壓功能,而且電源電流和負(fù)載電流都是連續(xù)的,有利于輸入、輸出濾波,但它的升壓比B=D/(1-D),D為開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通比,當(dāng)D＜0.5時(shí)實(shí)現(xiàn)降壓功能,當(dāng)D＞0.5時(shí)實(shí)現(xiàn)升壓功能,而且要實(shí)現(xiàn)很高的升壓比時(shí),開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通比D接近1,這樣開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而截止時(shí)間過(guò)短,會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗和溫升過(guò)大,影響實(shí)用。本文提出的Z源調(diào)壓電路拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)了升降壓功能而且也解決了Sepic電路存在的問(wèn)題。Z源調(diào)壓電路的升壓比B =D/(1-2D),在D＜0.5的情況下能實(shí)現(xiàn)Sepic電路的升降壓功能,而且當(dāng)D接近0.5時(shí)理論上能得到任意高的輸出電壓,明顯克服了Sepic電路導(dǎo)通比過(guò)大的缺陷。

1 Z源調(diào)壓電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Z源調(diào)壓電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1,電路由輸入電源Ui,二極管D1、D2,Z源網(wǎng)絡(luò),開(kāi)關(guān)管Q,電容C1、C2、C3、C0,電感L1、L2、L3和負(fù)載R組成,其中Z源網(wǎng)絡(luò)[1-3]是指由C1、C2、L1和L2連接成的X形結(jié)構(gòu),用它替換了傳統(tǒng)Sepic電路中的輸入電感,二極管D1、D2使電流單向流動(dòng),防止對(duì)輸入電源Ui反充電和電容C0通過(guò)電感L3放電,Q為開(kāi)關(guān)管,導(dǎo)通比為D,通過(guò)調(diào)節(jié)D來(lái)實(shí)現(xiàn)電路的升降壓功能,電容器C3作為輸入到輸出主要的能量轉(zhuǎn)換元件。

圖1 Z源調(diào)壓電路的原理圖Fig.1 Z source voltage adjusting principle

由圖1可見(jiàn),假設(shè)C1和C2電容值相等且很大, L1和L2電感值相等且很大,故由C1、C2、L1和L2連接成的Z源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是對(duì)稱(chēng)的,因此UC1=UC2, UL1=UL2,Z源網(wǎng)絡(luò)相對(duì)傳統(tǒng)電壓源和電流源而言,具有既可開(kāi)路又可短路的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),因此為變換主電路的升壓或降壓提供了一種機(jī)制,藉此可將任何形式的電源耦合到任何形式的主變換器電路中,以向任何形式的負(fù)載供電[5-6],Z源調(diào)壓電路是用Z源網(wǎng)絡(luò)替換傳統(tǒng)Sepic電路中的輸入電感而構(gòu)成的,此結(jié)構(gòu)中在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通比D＜0.5時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)Sepic電路的升降壓功能,從而彌補(bǔ)了傳統(tǒng)Sepic電路實(shí)現(xiàn)升壓時(shí)導(dǎo)通比D＞0.5甚至更大的不足。

2 Z源調(diào)壓電路工作原理分析

2.1 在分析穩(wěn)態(tài)特性時(shí)的假設(shè)

1)開(kāi)關(guān)管、二極管均為理想元件,可以瞬間導(dǎo)通截止而且導(dǎo)通時(shí)壓降為零,截止時(shí)漏電流為零。

2)電感、電容為理想元件,電感工作在線(xiàn)性區(qū)域而未飽和,寄生電阻為零,電容的等效電阻為零。

3)輸出電壓中的紋波電壓與輸出電壓的比值小到允許忽略。

4)電感電流為連續(xù)狀態(tài),即電路工作在連續(xù)工作模式下。

5)電容C1、C2、C3上的電壓紋波與其平均值之比很小,這樣電容電壓在整個(gè)周期中可以認(rèn)為是恒定的,設(shè)恒定值為[4]UC1=UC2=UC,UC3。

2.2 工作過(guò)程分析

根據(jù)開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài),Z源調(diào)壓電路有兩個(gè)工作狀態(tài):

1)開(kāi)關(guān)管工作在導(dǎo)通狀態(tài),即在TON期間,等效電路見(jiàn)圖2,在 TON期間,由于Q的導(dǎo)通,電容C1、C2、C3處于放電狀態(tài),分別通過(guò)Q對(duì)L1和L2、L3儲(chǔ)能,把內(nèi)部?jī)?chǔ)存的電場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存到電感中,電感電流的方向如圖中所標(biāo)注,電感L1、L2和L3處于儲(chǔ)能狀態(tài),流過(guò)的電流 I1、I2和I3線(xiàn)性上升,其兩端電壓dt和為正值,方向如圖2中所標(biāo)注的,從而使二極管D1陰極電位升高,D1承受反向壓降而截止,輸入電源Ui被切除,二極管D2陽(yáng)極電位降低,D2也承受反向壓降而截止,此時(shí)電容C0處于放電狀態(tài),對(duì)負(fù)載R供電。

此狀態(tài)下的電壓關(guān)系為:

在C1、C2的放電回路中可得UL1on=UL2on=UC

2)開(kāi)關(guān)管工作在關(guān)斷狀態(tài),即在Tof f期間等效電路如圖3所示,在期間,由于Q的截止,電感和處于釋能狀態(tài),流過(guò)的電流和線(xiàn)性下降,其兩端電壓UL1off、UL2off和UL3off為了維持電感中的電流方向不變而改變方向,方向如圖3中所標(biāo)注,從而使二極管陰極電位降低,D1承受正向壓降而導(dǎo)通,二極管D2陽(yáng)極電位升高,D2也承受正向壓降而導(dǎo)通,D1導(dǎo)通把輸入電源Ui接入,和電感L1、L2、L3一起既給電容C1,C2,C3和C0充電,同時(shí)也向負(fù)載R供電。

圖2 開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)等效電路Fig.2 Equivalent circuit when conduction pipe Q connected

此狀態(tài)下電壓關(guān)系為:

圖3 開(kāi)關(guān)管Q關(guān)斷時(shí)等效電路Fig.3 Equivalent circuit when conduction pipe Q not connected

2.3 升壓比的推導(dǎo)

由于穩(wěn)態(tài)時(shí)電感電流在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷期間的變化量相等[4],即:

進(jìn)一步整理得:

由式(1)-式(3)得:

升壓比B=U0/Ui=D/(1-2D)其中0＜D＜0.5。

可見(jiàn)在理論上,Z源調(diào)壓電路當(dāng)導(dǎo)通比D＜0.5時(shí)就能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)Sepic電路的升降壓功能,0＜D＜1/3時(shí)實(shí)現(xiàn)降壓功能,1/3＜D＜0.5實(shí)現(xiàn)升壓功能,而且能得到任意值的輸出電壓,因此理論上電壓調(diào)節(jié)范圍很大。

3 Z源調(diào)壓電路與傳統(tǒng)Sepic電路的比較

傳統(tǒng)Sepic電路的升壓比B=D/(1-D),而Z源調(diào)壓電路的升壓比B=D/(1-2D),現(xiàn)用MATLAB得出升壓比B與導(dǎo)通比D的關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

圖4 升壓比B與導(dǎo)通比D的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.4 Relation between booster ratio and conduction ratio

由圖4中曲線(xiàn)可見(jiàn),對(duì)于Z源調(diào)壓電路:當(dāng)D＜1/3時(shí)B＜1即實(shí)現(xiàn)降壓功能,當(dāng)D＞1/3時(shí),B＞1即實(shí)現(xiàn)升壓功能,且當(dāng)導(dǎo)通比D接近0.5時(shí)升壓比可無(wú)窮大;而對(duì)于傳統(tǒng)的Sepic電路而言,當(dāng)D＜0.5時(shí)B＜1即實(shí)現(xiàn)降壓功能,當(dāng)D＞0.5時(shí),B＞1即實(shí)現(xiàn)升壓功能,且當(dāng)導(dǎo)通比D接近1時(shí)升壓比才可無(wú)窮大。由圖中還可得出在相同的導(dǎo)通比下,Z源調(diào)壓電路的升壓比大于傳統(tǒng)Sepic電路的升壓比。

4 仿真結(jié)果

現(xiàn)對(duì)Z源調(diào)壓電路的升壓和降壓分別進(jìn)行仿真,仿真電路圖見(jiàn)圖5。

4.1 升壓仿真

設(shè)輸入電壓Ui=12 V,導(dǎo)通比D=0.4,用SABER進(jìn)行仿真得到結(jié)果見(jiàn)圖6。圖6中給出了脈沖電壓Up、輸入直流電壓Ui和輸出直流電壓U0的時(shí)域波形,由理論計(jì)算得:D=0.4、Ui=12 V時(shí),升壓因子B=2,輸出電壓U0=24 V,由圖6中查得U0=23.831 V,考慮到管壓降等因素的影響,升壓仿真結(jié)果與理論分析相符。

4.2 降壓仿真

設(shè)輸入電壓Ui=12 V,導(dǎo)通比D=0.25,用SABER進(jìn)行仿真得到的結(jié)果見(jiàn)圖7。圖7中給出了脈沖電壓Up、輸入電壓Ui和輸出電壓U0的時(shí)域波形,由理論計(jì)算得:D=0.25、Ui=12 V時(shí),升壓因子B=0.5,輸出電壓U0=6 V,由圖7中查得U0=5.860 2 V,考慮到管壓降等因素的影響,降壓仿真結(jié)果也與理論分析相符。

5 試驗(yàn)結(jié)果

用圖1電路構(gòu)建實(shí)驗(yàn)電路,采用仿真參數(shù)進(jìn)行升降壓實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)波形見(jiàn)圖8,在圖8的波形中,1路是輸入電壓Ui波形,2路是開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電壓Up波形,3路是輸出電壓U0波形。

在升壓實(shí)驗(yàn)中,輸入電壓Ui=12 V,開(kāi)關(guān)導(dǎo)通比D=0.4,升壓因子B=2,由圖8可見(jiàn),輸出電壓U0=23.8 V;在降壓實(shí)驗(yàn)中,Ui=12 V,開(kāi)關(guān)導(dǎo)通比D=0.25,因子B=0.5;由圖9可見(jiàn),輸出電壓U0= 5.8 V,考慮到管壓降和線(xiàn)路損耗的影響,試驗(yàn)結(jié)果與理論分析和仿真結(jié)果相符合。

圖8 Z源調(diào)壓電路升壓實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 Z source adjusting booster voltage simulation wave

圖9 Z源調(diào)壓電路降壓實(shí)驗(yàn)波形Fig.9 Z source adjusting reduction voltage test wave

6 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種基于Z源的新型直流升降壓拓?fù)?該拓?fù)鋵源網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)Sepic電路結(jié)合在一起,可以在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通比D＜0.5的情況下進(jìn)行升降壓調(diào)節(jié),克服了傳統(tǒng)Sepic電路在升壓比高時(shí)導(dǎo)通比D過(guò)大甚至接近1的缺陷。

[1] 王利民.Z源直流變換器[J].電氣應(yīng)用,2005,24(2):123.

[2] 彭方正.Z源升壓變換器[J].電氣傳動(dòng),2006,36(1):28.

[3] 王利民.阻抗源直流變流器的研究[D].杭州:浙江大學(xué),2006.

[4] 張占松.開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社, 1998.

[5] Peng F Z,Shen M S,Qian Z M.Maximum Boost Control of the Z—Source Inverter[J].IEEE Trans.on Power Electron.2005, 20(4):833-838.

[6] Fnag2Peng.Z-Soucre Inverter for Motor Drives[C]//In Proc.of IEEE PESC,2004 Conference,2004.Volume:1,3-7 Oct.2004:147.