摘 要：高增益、高效率的DC-DC變換器是直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的一環(huán)。本文提出一種基于準(zhǔn)Z源（quasi-Z-source）的直流變換器，并結(jié)合三繞組耦合電感、倍壓單元結(jié)構(gòu)。該變換器不僅繼承了準(zhǔn)Z源結(jié)構(gòu)、耦合電感、開關(guān)電容/電感的優(yōu)勢，具有高升壓能力、輸入電流連續(xù)、電路箝位、元器件低電壓電流應(yīng)力、電流紋波小等優(yōu)勢，而且通過對有源器件軟開關(guān)的實現(xiàn)，減小了電路損耗，獲得了較高的工作效率。該文針對所提變換器的工作原理、特性、穩(wěn)態(tài)以及參數(shù)選型進行詳細(xì)說明，并在實驗室搭建一臺200 W的實驗樣機驗證了所提變換器的可行性。

關(guān)鍵詞：DC-DC變換器；零電壓開關(guān)；零電流開關(guān)；耦合電感；準(zhǔn)Z源

中圖分類號：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

隨著中國國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，未來各行各業(yè)的發(fā)展對于電能的需求量將會逐漸提高。隨著研究的深入，直流微電網(wǎng)系統(tǒng)（DC microgrid）孕育而生，相比于傳統(tǒng)的集中式大電網(wǎng)系統(tǒng)，直流微電網(wǎng)系統(tǒng)與現(xiàn)在的多能源供電的趨勢更為適配并具有較高的可靠性和安全性。它具有光伏發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等各類供電模塊，儲能系統(tǒng)，電力電子變換器以及各種用電系統(tǒng)模塊。在直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中，將供電設(shè)備所產(chǎn)生的低壓直流電通過升壓DC-DC 變換器并入高壓直流母線，這就對直流變換器的升壓性能和能量轉(zhuǎn)換效率有重要的要求。

目前，已經(jīng)有許多升壓技術(shù)應(yīng)用于提高DC-DC 變換器的增益效果［1-2］，如拓?fù)浣M合技術(shù)、耦合電感技術(shù)、開關(guān)電容/電感技術(shù)等。文獻(xiàn)［3-4］提出一些模塊組合式的變換器結(jié)構(gòu)，如級聯(lián)結(jié)構(gòu)、交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)、多電平結(jié)構(gòu)等，其集成化的方式拓寬了變換器的升壓效果，但這類技術(shù)增加了變換器中元器件數(shù)量，提高了復(fù)雜性和成本；文獻(xiàn)［5-6］提出耦合電感的應(yīng)用，通過原副邊繞組的匝比n 與占空比D 的共同作用，對變換器的增益進行寬范圍的調(diào)節(jié)。但是，耦合電感上出現(xiàn)較大的匝比會帶來嚴(yán)重的漏感，造成耦合電感寄生電阻過大并在有源器件上產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電壓尖峰，因此在使用該技術(shù)時需搭配箝位結(jié)構(gòu)［7］。文獻(xiàn)［8-9］提出開關(guān)電容/電感升壓技術(shù)，利用電容、電感充放電特性與二極管組成回路，提升變換器的升壓能力。但由于單一的開關(guān)電感結(jié)構(gòu)中電感數(shù)量過多，會造成變換器的體積過大、功率密度過小，而單一的開關(guān)電容結(jié)構(gòu)在電容充放電時會使有源器件出現(xiàn)電流尖峰，通過將開關(guān)電感、電容混合［10］進行升壓，或者通過引入倍壓單元［11］結(jié)構(gòu)解決上述問題。

為了提升變換器能量轉(zhuǎn)換的性能，軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用是克服有源器件損耗、提高變換器效率和改善電磁干擾的有效途徑。文獻(xiàn)［12-13］提出一類集合式的軟開關(guān)、非隔離變換器，通過有源箝位電路來使耦合電感中的漏感進行諧振，實現(xiàn)所有開關(guān)管的軟開關(guān)，但此類變換器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開關(guān)器件過多，且效率還有提升的空間；文獻(xiàn)［14-17］提出一類基于準(zhǔn)Z 源的軟開關(guān)、高增益變換器，結(jié)合耦合電感、開關(guān)電容等技術(shù)，并通過輔助開關(guān)的設(shè)計與控制使有源器件實現(xiàn)軟開關(guān)，但變換器的電壓增益還有待進一步提高；文獻(xiàn)［18］提出一種準(zhǔn)Z 源變換器，無需輔助開關(guān)、結(jié)構(gòu)簡單，通過電路中的一個諧振路徑實現(xiàn)有源器件的軟開關(guān)，該變換器功率損耗小，但開關(guān)管兩端的電壓應(yīng)力較高。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上提出一種集成三繞組耦合電感、倍壓單元的準(zhǔn)Z 源變換器，將三繞組耦合電感與倍壓單元結(jié)合的結(jié)構(gòu)，極大地提升了變換器的升壓靈活度及升壓能力。該變換器的準(zhǔn)Z 源結(jié)構(gòu)具有輸入電流連續(xù)的特點，且其固有的箝位結(jié)構(gòu)能夠吸收漏感能量，又利用同步整流技術(shù)，用一個輔助開關(guān)管替換掉其結(jié)構(gòu)中的二極管功能，并通過軟件算法控制使兩個開關(guān)管均實現(xiàn)零電壓開關(guān)（zero-voltageswitching，ZVS）導(dǎo)通，同時其余二極管在工作于0 電壓、0 電流開關(guān)（zero-voltage-switching、zero-current-switching，ZVZCS）條件下，提高變換器工作效率。

1 變換器工作原理及其穩(wěn)態(tài)分析

圖1 為本文所提DC-DC 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該變換器由輸入電感L1、三繞組耦合電感（LN1～LN3）、主開關(guān)管S、輔助開關(guān)管Sa、二極管（VD1～VD5）、儲能電容（C1～C4）、輸出電容（Co1～Co3）組成。在分析過程中將三繞組耦合電感與理想變壓器等效，其原邊上具有勵磁電感Lm、漏感L1k，副邊上具有漏感L2k、L3k，繞組的匝比為1∶n1∶n2，其中n1 =N2 /N1，n2 =N3 /N1。

1.1 工作原理分析

圖2 為所提變換器的關(guān)鍵器件在一個開關(guān)周期內(nèi)的波形。為簡化分析，將電路分為7 個工作模態(tài)，如圖3 所示，并作如下假設(shè)：1）輸入電感L1 的值盡量大，以保證輸入電流iin不突變；2）儲能電容（C1～C4）、輸出電容（Co1～Co3）的值都盡量大，以保證電容兩端電壓在一個開關(guān)周期內(nèi)不變化；3）主開關(guān)管S、輔助開關(guān)管Sa、二極管（VD1～VD5）均認(rèn)為是理想的不變器件，且頻率的大小不影響他們的工作狀態(tài)；4）除耦合電感漏感外其他器件都是理想器件。

模態(tài) 1［ t0，t1）：t0 時刻，輔助開關(guān) Sa關(guān)斷，由于緩沖電容CSa 的存在使得輔助開關(guān)Sa 在ZVS 下關(guān)斷。輸入電壓Vg 和電容C2 共同給輸入電感L1 和電容C1 傳輸能量，使輸入電流iL1 線性上升。二級管VD1～VD5 承受反壓被反向偏置。緩沖電容CS、CSa 與漏感L1k 發(fā)生諧振， 此時CSa 充電，CS 放電，流經(jīng)CS、CSa 的電流為輸入電流iL1 和勵磁電流iLm 的電流差。緩沖電容CS 兩端電壓下降，當(dāng)降至0 時，由于漏感L1k 上仍存在反向電流，主開關(guān)S 的體二極管VDs 導(dǎo)通，此模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)2［t1，t2）：t1 時刻，體二級管VDs 導(dǎo)通對漏感L1k 上的反向電流續(xù)流，使輔助開關(guān)Sa 兩端電壓被箝位在VC1 +VC2，耦合電感原邊電壓被箝位在VC1，同時耦合電感副邊的電壓使二極管VD2、VD5 承受正向壓降。電容C3、Co3 分別與漏感L2k、L3k 發(fā)生諧振，使二極管VD2、VD5 在ZVZCS 條件下導(dǎo)通。當(dāng)主開關(guān)S 的體二極管VDs 所流經(jīng)的電流降為0 時，此模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)3［t2，t3）：t2 時刻，輔助開關(guān)Sa 關(guān)斷，主開關(guān)S 收到導(dǎo)通信號，且其體二極管VDs 已經(jīng)導(dǎo)通，使得它能夠在ZVS條件下導(dǎo)通。勵磁電感電流iLm 從負(fù)向開始逐漸減小，減小到0 后又逐漸正向增大。漏感L2k、L3k 分別與電容C3、Co3繼續(xù)保持諧振，電流iL1、iLm 和諧振電流之和流過開關(guān)管S，當(dāng)諧振電流下降至0，二極管VD2、VD5 在ZVZCS 條件下關(guān)斷，此模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)4［t3，t4）：t3 時刻，主開關(guān)S 收到關(guān)斷信號，且由于緩沖電容CS 的存在使主開關(guān)S 在ZVS 下關(guān)斷。二級管VD2、VD5 上電流諧振至0，被反向截至。緩沖電容CS、CSa 和漏感L1k 發(fā)生諧振，CS 充電，CSa 放電。t4 時刻，CSa 上電壓降至0，由于漏感L1k 上仍存在正向電流，輔助開關(guān)Sa 的體二極管VDSa 導(dǎo)通，此模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)5［t4，t5）：t4 時刻，主開關(guān)管S 關(guān)斷，其兩端電壓被箝位在VC1 +VC2，耦合電感原邊電壓被箝位在VC2，使二極管VD1、VD3、VD4 承受正向壓降。由于電容C3、Co2 分別與漏感L2k、L3k 發(fā)生諧振，電容C4 與漏感L1k 發(fā)生諧振，使二極管VD1、VD3、VD4 在ZVZCS 條件下導(dǎo)通。輔助開關(guān)Sa 兩端電壓減小到0，其體二級管VDSa 導(dǎo)通，對漏感L1k 上的正向電流進行續(xù)流。當(dāng)VDSa 上所流經(jīng)的電流降為0 時，此模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)6［t5，t6）：t5 時刻，輔助開關(guān)管Sa 收到導(dǎo)通信號，且其體二極管VDSa 已經(jīng)導(dǎo)通，使得它能夠在ZVS 的條件下導(dǎo)通。輸入電壓Vg 和電容C4 一起將能量傳遞到輸入電感L1、勵磁電感Lm，接著Lm 又將能量傳遞到耦合電感副邊以及負(fù)載端，因此勵磁電感電流iLm 一直減小直至0。此后，輸入電壓Vg 和電容C2、C4 一起給L1、耦合電感副邊以及負(fù)載端傳遞能量，Lm 中的能量從C2 中轉(zhuǎn)移得到，iLm 向反方向增加，當(dāng)負(fù)向iLm 的值大于輸入電流iL1 時，輔助開關(guān)Sa 上的電流正向流通，從而確保在下個循環(huán)周期開始時，緩沖電容CSa、CS 處于充放電。當(dāng)二極管VD1、VD3、VD4 電流全部變?yōu)?，即在ZVZCS 條件下關(guān)斷，該模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)7［t6，t7）：輔助開關(guān)Sa 上的電流正向流通，流經(jīng)的電流為iLm 和iL1 之間的電流差。此模態(tài)持續(xù)到t7 時刻，即新的開關(guān)周期到來時進入下一個循環(huán)周期。

式中：IC1_OFF～I(xiàn)Co3_OFF——電容C1～Co3 在開關(guān)管S 關(guān)閉時其上流過的電流；ISa——輔助開關(guān)Sa 開通時其上流過的電流的平均值。

假設(shè)變換器工作時無功率損耗，即：

在圖4 中繪制出所提變換器上有源器件的電壓應(yīng)力歸一化值隨占空比變化的曲線圖。

1.3 效率分析

對所提變換器各部分元器件功率消耗進行分析，包括開關(guān)管功率消耗PS_Loss、二極管功率消耗PVD_Loss、電感功率消耗PL_Loss 和電容功率消耗PC_Loss。開關(guān)管功率消耗、二極管功率消耗中又包括導(dǎo)通功率消耗、開斷功率消耗。圖5 為該變換器含有寄生參數(shù)的等效電路圖。參考文獻(xiàn)［15］中對變換器功率消耗的計算方法，對所提變換器進行分析，其總功率消耗PLoss 如下：

式中：VFVD1～VFVD5——二極管正向壓降；rVD1～rVD5——二極管自身導(dǎo)通內(nèi)阻；rS、rSa——開關(guān)管S、Sa 導(dǎo)通內(nèi)阻；rL1、rN1～rN3——輸入電感L1、三繞組耦合電感N1～N3 內(nèi)阻值；rC1～rCo3——電容C1～Co3 內(nèi)阻值。

結(jié)合式（11），該變換器在200 W 的輸出功率下，軟、硬開關(guān)的效率對比圖如圖6 所示?？擅黠@得出，在軟開關(guān)下對變換器效率提升很大，且其最佳效率穩(wěn)定在占空比處于0.10

1.4 對比分析

為了更直觀的展示所提變換器的特點，將本文所提變換器與一些相關(guān)類型的變換器性能進行對比分析。如表1 所示，將各變換器之間的個性參數(shù)進行比較分析，并將各個變換器的電壓增益、開關(guān)管電壓應(yīng)力繪制出圖7 所示的性能曲線對比圖，驗證所提變換器的優(yōu)越性。

設(shè)定各變換器的匝比n1 = n2 = 2、n = 4。由圖7a 所示，所提變換器具有相當(dāng)高的升壓能力，由圖7b 所示，所提變換器具有優(yōu)秀的低開關(guān)管電壓應(yīng)力特性。同時，通過表2 可知所提變換器具有輸入輸出共地、輸入電流連續(xù)的特點，保證了其工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性及安全性。并且，該變換器實現(xiàn)了軟開關(guān)，減小了對開關(guān)器件的損耗，具有較高的工作效率。

2 軟開關(guān)條件分析

對所提變換器實現(xiàn)軟開關(guān)，需要考慮勵磁電感Lm、緩沖電容CS 和CSa 值的大小。

由基爾霍夫定律列出電流之間的關(guān)系得到：

iL1 -iC1 +iC2 -iVD2 +iN2 -iN1 =0 （12）

對式（12）化簡，并由電容的安秒平衡定律得到：

根據(jù)耦合電感的等效電路得到：

iN1 =iLm +n1iN2 +n2iN3 （14）

將式（13）代入式（14）中可得：

ILm =IL1 -Io （15）

式中：IL1、ILm—— 流過輸入電感L1、勵磁電感Lm 電流的平均值。

4 實驗結(jié)果及分析

為了驗證所提變換器的特性，在實驗室中搭建了一個功率為200 W 的樣機，如圖8 所示。根據(jù)選型結(jié)果，變換器參數(shù)如表2 所示。樣機硬件系統(tǒng)由變換器模塊和控制模塊組成，控制器采用DSP-TMS320F28335?？刂撇呗赃x用單極性PWM控制，通過對主開關(guān)管S、輔助開關(guān)管Sa 形成互補導(dǎo)通控制，并對其占空比死區(qū)時間的設(shè)置，使該變換器一次側(cè)漏感L1k 與開關(guān)管的緩沖電容CS、CSa 在PWM 控制所設(shè)置的死區(qū)內(nèi)進行諧振，從而實現(xiàn)電路中有源開關(guān)器件的軟開關(guān)效果。

圖9 為所提變換器關(guān)鍵波形的實驗驗證。由圖9a～圖9e可知，各元器件上的電壓、電流實驗結(jié)果與理論分析具有較好的一致性，且開關(guān)管S、Sa 均實現(xiàn)ZVS 導(dǎo)通，二極管VD1～VD5 實現(xiàn)在ZVZCS 環(huán)境下工作。此外，由圖9f 可得該變換器具有連續(xù)的輸入電流，且勵磁電感感量的設(shè)計滿足變換器工作需求。

當(dāng)占空比D=0.25、輸入電壓Vg =35 V 時，由圖9e 可知輸出電壓V0 約為380 V，增益略小于理論計算值的11.5 倍，是受電路板及各元器件寄生參數(shù)的影響。

圖10 為所提變換器在輸出電壓380 V、電壓增益約為11.5 倍時，分別驗證了其軟、硬開關(guān)下的工作效率隨輸出功率的變化曲線圖。從圖中可看出，在軟開關(guān)條件下，變換器具有更高的效率，其效率峰值可達(dá)94.51%，在額定功率下變換器效率為91.37%。

5 結(jié) 論

本文提出了一種集成三繞組耦合電感、倍壓單元的準(zhǔn)Z源變換器，通過對該變換器的理論分析及實驗驗證了其適用于直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，具體優(yōu)點有：

1）該變換器通過三繞組耦合電感、倍壓單元的設(shè)計，在較小的占空比D 及較低的匝數(shù)比n1、n2 的情況下得到高電壓增益，并且能在寬范圍靈活的調(diào)節(jié)電壓增益，同時能避免開關(guān)管出現(xiàn)極限占空比。

2）該變換器基于準(zhǔn)Z 源結(jié)構(gòu)，其輸入電流連續(xù)，且本身的箝位結(jié)構(gòu)限制了漏感帶來的電壓過沖，吸收了寄生電感和漏感，降低了器件應(yīng)力，減小了元器件體積；同時，所有有源器件軟開關(guān)的實現(xiàn)，改善了電磁環(huán)境，降低了損耗，極大地提升了效率。

3）輸入輸出共地、整體結(jié)構(gòu)合理，保障了變換器運行的安全性和可靠性。同時，該變換器應(yīng)用于直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中，相比較于交流系統(tǒng)中對交流電的同步控制等策略，該變換器通過DSP 處理器觸發(fā)PWM 信號進行控制，其控制簡單、采樣方便，穩(wěn)定性更高。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ LIU H W， HU H B， WU H F， et al. Overview of high-stepupcoupled-inductor boost converters［J］. IEEE journal ofemerging and selected topics in power electronics， 2016， 4（2）： 689-704.

［2］ GUAN Y S， CECATI C， ALONSO J M， et al. Review ofhigh-frequency high-voltage-conversion-ratio DC-DCconverters［J］. IEEE journal of emerging and selectedtopics in industrial electronics， 2021， 2（4）： 374-389.

［3］ LI F， LIU H C. A cascaded coupled inductor-reverse highstep-up converter integrating three-winding coupledinductor and diode-capacitor technique［J］. IEEEtransactions on industrial informatics， 2017， 13（3）：1121-1130.

［4］ 秦嶺， 馮志強， 戴翔， 等. 基于開關(guān)–電容網(wǎng)絡(luò)的三電平直流變換器簡易構(gòu)造法［J］. 中國電機工程學(xué)報，2017， 37（2）： 635-643.

QIN L， FENG Z Q， DAI X， et al. A simple constructionmethod for three-level DC converters based on switchdiode-capacitor networks［J］. Proceedings of the CSEE，2017， 37（2）： 635-643.

［5］ HU X F， WANG J Z， LI L P， et al. A three-windingcoupled-inductor DC-DC converter topology with highvoltage gain and reduced switch stress［J］. IEEEtransactions on power electronics， 2018， 33（2）： 1453-1462.

［6］ HU R J， ZENG J， LIU J F， et al. An ultrahigh step-upquadratic boost converter based on coupled-inductor［J］.IEEE transactions on power electronics， 2020， 35（12）：13200-13209.

［7］ ZHENG Y F， SMEDLEY K M. Analysis and design of asingle-switch high step-up coupled-inductor boost converter［J］. IEEE transactions on power electronics， 2020， 35（1）： 535-545.

［8］ 孫孝峰， 耿曉瓏， 周悅， 等. 基于開關(guān)電容的高增益雙輸入變換器［J］. 太陽能學(xué)報， 2021， 42（3）： 268-275.

SUN X F， GENG X L， ZHOU Y， et al. Dual-inputconverter with high-gain based on switched-capacitor［J］.Acta energiae solaris sinica， 2021， 42（3）： 268-275.

［9］ WU G， RUAN X B， YE Z H. High step-up DC-DCconverter based on switched capacitor and coupled inductor［J］. IEEE transactions on industrial electronics， 2018， 65（7）： 5572-5579.

［10］ HAJI-ESMAEILI M M， BABAEI E， SABAHI M. Highstep-up quasi-Z source DC-DC converter［J］. IEEEtransactions on power electronics， 2018， 33（12）： 10563-10571.

［11］ LIU T M， LIN M Y， AI J. High step-up interleaved DCDCconverterwith asymmetric voltage multiplier cell andcoupled inductor［J］. IEEE journal of emerging andselected topics in power electronics， 2020， 8（4）： 4209-4222.

［12］ KOTHAPALLI K R， RAMTEKE M R， SURYAWANSHIH M， et al. Soft-switched ultrahigh gain DC-DC converterwith voltage multiplier cell for DC microgrid［J］. IEEEtransactions on industrial electronics， 2021， 68（11）：11063-11075.

［13］ 林雪鳳， 許建平， 周翔. 諧振軟開關(guān)耦合電感高增益DC-DC 變換器［J］. 電工技術(shù)學(xué)報， 2019， 34（4）：747-755.

LIN X F， XU J P， ZHOU X. Soft-switched high step-upDC-DC converter with coupled inductor of resonance［J］.Transactions of China electrotechnical society， 2019， 34（4）： 747-755.

［14］ POORALI B， ADIB E. Soft-switched high step-up quasi-ZsourceDC-DC converter［J］. IEEE transactions onindustrial electronics， 2020， 67（6）： 4547-4555.

［15］ DING X P， WANG F L， ZHOU M Z， et al. Soft switchinghigh voltage gain quasi-Z-source DC-DC converter withswitched-capacitor technique［J］. IEEE transactions onindustrial electronics， 2022， 69（11）： 11231-11241.

［16］ 王鳳蓮， 周明珠， 曹益暢， 等. 集成倍壓電路的準(zhǔn)Z源軟開關(guān)變換器穩(wěn)態(tài)研究［J］. 太陽能學(xué)報， 2023， 44（5）：139-145.

WANG F L， ZHOU M Z， CAO Y C， et al. Steady study onquasi-z-source soft-switching converter with integrateddoubled circuit［J］. Acta energiae solaris sinica， 2023， 44（5）： 139-145.

［17］ 章寶歌， 張振， 王天鵬， 等. 一種適用于BESS的交錯并聯(lián)雙向DC/DC 變換器［J］. 太陽能學(xué)報， 2022， 43（1）：277-283.

ZHANG B G， ZHANG Z， WANG T P， et al. Aninterleaved parallel bidirectional DC-DC converter for bess［J］. Acta energiae solaris sinica， 2022， 43（1）： 277-283.

［18］ REZVANYVARDOM M， MIRZAEI A， HEYDARI S.Fully soft-switching nonisolated quasi-Z $ -source DCDCDCDCconverter with high-voltage gain［J］. IEEE journalof emerging and selected topics in power electronics，2021， 9（2）： 1854-1862.

基金項目：國家自然科學(xué)基金（52077105）；山東省自然科學(xué)基金（ZR2020ME200）