山東科技大學(xué) 尚慶棟

1.Z源網(wǎng)絡(luò)在SEPIC電路中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的Sepic電路能簡單的實現(xiàn)升壓和降壓的功能，而且電源的輸入電流和負(fù)載的輸出電流都是連續(xù)的，有利于輸入、輸出濾波，但它的升壓比U=D/(1-D)，D為開關(guān)的導(dǎo)通比，當(dāng)D<0.5時實現(xiàn)降壓功能，當(dāng)D>0.5時實現(xiàn)升壓功能，而且要實現(xiàn)很高的升壓比時，開關(guān)的導(dǎo)通比D接近1，這樣開關(guān)導(dǎo)通時間過長而截止時間過短，會導(dǎo)致?lián)p耗和溫升過大，影響實用。[1]

圖1 基于Z源網(wǎng)絡(luò)的SEPIC直流變換電路

圖2 基于Z源網(wǎng)絡(luò)的BOOST直流變換電路

圖3 基于Z源網(wǎng)絡(luò)的雙向直流變換器電路

把Z源網(wǎng)絡(luò)引入到SEPIC電路中進(jìn)行拓?fù)鋾芎玫慕鉀Q傳統(tǒng)的SEPIC電路所產(chǎn)生的問題，如圖1所示為基于Z源網(wǎng)絡(luò)的SEPIC電路的拓?fù)洹?/p>

當(dāng)全控器件導(dǎo)通即在Ton期間，電容C1、C2、C3處于放電狀態(tài)，分別通過VT對L1和L2、L3儲能，把內(nèi)部儲存的電場能量轉(zhuǎn)化為磁場能量儲存到電感中，電感L1、L2和L3處于儲能狀態(tài)，流過的電流I1、I2和I3是線性上升的，其兩端電壓UL1on=L1· dI 1/dt 、UL2on=L2· dI 2/dt 和UL3on=L3· dI 3/dt ，電壓方向為正值，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陽極電位降低，D2也承受反向壓降而截止，此時電容C0處于放電狀態(tài)，對負(fù)載R供電。

在開關(guān)管VT關(guān)斷期間即TOff期間，電感L1、L2和L3處于釋放能量的狀態(tài)，流過的電流I1、I2和I3線性下降，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，從而使二極管D1陰極電位降低，D1承受正向壓降而導(dǎo)通，二極管D2陽極電位升高，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，同時也向負(fù)載R供電[2]。

開關(guān)VT導(dǎo)通比為D，開關(guān)周期為T，則導(dǎo)通時間TON=DT，關(guān)斷時間Toff=(1-D)T，升壓比?我們根據(jù)電感電流在一個周期內(nèi)的變化率相等來推導(dǎo)可以得出升壓比：

對于Z源調(diào)壓電路：當(dāng)D<1/3時?<1即實現(xiàn)降壓功能，當(dāng)D>1/3時，?>1即實現(xiàn)升壓功能，且當(dāng)導(dǎo)通比D接近0.5時升壓比可無窮大；而對于傳統(tǒng)的Sepic電路而言，當(dāng)D<0.5時?<1即實現(xiàn)降壓功能，當(dāng)D>0.5時，?>1即實現(xiàn)升壓功能，且當(dāng)導(dǎo)通比D接近1時升壓比才可無窮大。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。此結(jié)構(gòu)中在開關(guān)導(dǎo)通比D<0.5時就可以實現(xiàn)傳統(tǒng)Sepic電路的升降壓功能，從而彌補(bǔ)了傳統(tǒng)Sepic電路實現(xiàn)升壓時導(dǎo)通比D>0.5甚至更大的不足。[8]

2.Z源網(wǎng)絡(luò)在BOOST電路中的應(yīng)用

BOOST直流斬波電路同SEPIC電路在升降壓上存在類似的問題，傳統(tǒng)BOOST拓?fù)渖龎豪щy，因為當(dāng)該電路需要很大的輸入輸出比?時，開關(guān)導(dǎo)通比D接近1，例如當(dāng)輸入輸出比大于5時，D大于0.8，這樣開關(guān)導(dǎo)通時間過長而開關(guān)截止時間過短，從而導(dǎo)致?lián)p耗和溫升過大，影響實用。為此本文提出一種基于Z源的DC/DC直流變換器，可以有效解決上述問題[3]。如圖2所示是將Z源網(wǎng)絡(luò)引入到BOOST電路中的電路圖。

與前述基于SEPIC電路的Z源直流變換器工作原理類似，通過對全控器件處于開通和關(guān)斷期間的等效電路進(jìn)行分析，利用在一個周期內(nèi)電感的輸出平均電壓為零可以得出輸入輸出的比值為：

將Z源直流變換器拓?fù)浜蛡鹘y(tǒng)BOOST拓?fù)涞纳龎阂蜃幼霰容^，用MATLAB推出升壓因子?和開關(guān)導(dǎo)通比的關(guān)系曲線，在導(dǎo)通比小于0.5的情況下Z源變換器理論上可以提供無限高的輸出電壓，且同樣導(dǎo)通比下z源變換器的輸出遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)BoosT。[4]

3.Z源網(wǎng)絡(luò)在雙向直流變換器中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的雙向DC-DC變換電路，通過改變變換器中變換單元之間的驅(qū)動相角差便能控制直流源之間的能量流動。該電路通過變壓器漏感傳遞能量，在nU1/U2偏離1較大時(其中n為高頻變壓器變比)，存在較大的環(huán)流，不適合于寬調(diào)壓應(yīng)用。另外，逆變橋中每個橋臂的上下開關(guān)管不能直通，否則電源被短路，損壞開關(guān)器件并引發(fā)系統(tǒng)崩潰，所以其可靠性相對要差。從控制模型來看，由于系統(tǒng)不同功率流向時小信號模型不同，如果采用統(tǒng)一的閉環(huán)調(diào)節(jié)器，其校正和綜合就比較困難，所以通常采用兩套獨(dú)立的控制環(huán)實現(xiàn)功率的雙向流動，這限制了雙向DC-DC的應(yīng)用。[5]

本文提出一種基于Z源網(wǎng)絡(luò)的雙向DCDC變換器其兩側(cè)電路完全對稱，電路上沒有高低側(cè)之分，并且電源為電壓源或電流源均可。系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)可以通過阻抗網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，具有較寬的電壓調(diào)節(jié)范圍。同時電路可靠性高，在燃料電池、光伏和風(fēng)力發(fā)電等新能源領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。[6][7]

如圖3為將Z源網(wǎng)絡(luò)引入到雙向直流變換器中的電路圖。

由圖可知，Z源網(wǎng)絡(luò)在電路中完全對稱，所以可以實現(xiàn)能量雙向傳輸，大大的節(jié)省了設(shè)備的體積，提高了設(shè)備運(yùn)行的效率，通過與SEPIC電路相似的電路工作原理分析得出，此電路的輸入輸出比為：

當(dāng)D<2/3時?<1即實現(xiàn)降壓功能，當(dāng)D>2/3時，?>1即實現(xiàn)升壓功能，且當(dāng)導(dǎo)通比D接近0.5時升壓比可無窮大；而對于傳統(tǒng)的電路而言，當(dāng)D<0.5時?<1即實現(xiàn)降壓功能，當(dāng)D>0.5時，?>1即實現(xiàn)升壓功能，且當(dāng)導(dǎo)通比D接近1時升壓比才可無窮大。

4.結(jié)論

本文將Z源網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在傳統(tǒng)的DC-DC直流變換器中進(jìn)行了新的拓?fù)洌贸隽嘶赯源網(wǎng)絡(luò)的直流變換器具有傳統(tǒng)直流變換器所不具有的優(yōu)勢，相比于純銅的直流變換器升降壓幅度提高，導(dǎo)通比總小于0.5，雙環(huán)控制中電流內(nèi)環(huán)顯然無需斜坡補(bǔ)償，且主開關(guān)的開關(guān)導(dǎo)通時間較短，開關(guān)截止時間長，有利于散熱，拓?fù)浜唵?，增加器件?shù)量少，成本增加不多。

[1]房緒鵬.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,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.開關(guān)電源的原理與設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,1998.

[5]王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2002,l.

[6]張占松,蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計[M].電子工業(yè)出版社,2004,9.

[7]阮新波.AFamilyofThreeleveleonverters.會議報告[D].月合肥工業(yè)大學(xué),2006.

[8]Buck三電平直流變換器的研究[D].南京航空航天大學(xué)碩士論文,2003,7.