石方園，李佳俊

（1.黑龍江科技大學電氣與控制工程學院，黑龍江哈爾濱，150022;2.上海富山精密機械有限公司，上海，201500）

0 引言

現(xiàn)代電力裝置的電源系統(tǒng)越來越受到人們關(guān)注，開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)通過高頻控制開關(guān)管的導通與關(guān)斷以維持輸出電壓穩(wěn)定的一種電源系統(tǒng)[1-2]。其中以升壓型DC/DC變換器為核心的開關(guān)電源在轉(zhuǎn)換效率、體積、結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性具有十分突出的特性，對其研究具有深遠意義[3]。對于一些要求進行電氣隔離的場所可以采用待隔離型的升壓變換器，但是由于電路中高頻隔離變壓器的存在使得這類變換器的體積較大，而且在頻率升高時其噪聲較大，而且高頻隔離變壓器的制作較為復雜，從而讓這類變換器的成本一般較高但是變換效率低，因此非隔離型的DC/DC升壓變換器是研究熱門[4]。

文獻[5]提出一種Z源阻抗網(wǎng)絡，該阻抗網(wǎng)絡具有升降壓、高升壓比等優(yōu)點，且對于系統(tǒng)的負載類型沒有要求，準Z源是在Z源網(wǎng)絡基礎上改進得到的，因而仍然具有Z源網(wǎng)絡的優(yōu)點，同時還使得電容器的電壓應力降低，增加了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，本文針對傳統(tǒng)升壓變換器在升壓因子較大時，開關(guān)器件的導通占空比接近1，影響開關(guān)器件使用，對準Z源變換器進行了建模分析與仿真。

1 電路結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 電路結(jié)構(gòu)

準Z源DC/DC變換器的電路拓撲如圖1所示。

圖1 準Z源DC/DC變換器拓撲

為方便下文分析，先做如下假設：開關(guān)管Q二極管D、電感 L1、L2、L3、電容 C1、C2、C3均是理想器件，即元件自身不產(chǎn)生損耗。

1.2 工作原理

假設開關(guān)管導通的時間dTS,則關(guān)斷的時間為(1-dTS)，在一個完整的開關(guān)周期TS內(nèi)電路有如下圖4所示的兩種工作狀態(tài)等效電路。

由圖2(a)可知，此時開關(guān)管Q1導通、二極管D1因承受反壓關(guān)斷，此時電源Uin和電容器C1對電感L1充電，電容器C2對電感L2充電，電感L3對負載以及電容器C3放電，整個過程持續(xù)的周期為dTS[6]。

由圖2(b)可知，此時開關(guān)管Q1關(guān)斷、二極管D1正向?qū)?，此時電源Uin和電感L1對電容器C1充電，電感L2對電容器C2充電，電源Uin、電感L1、L2對負載以及電感L3提供電能，整個過程持續(xù)的周期為(1-dTS)[6]。

圖2 等效電路

2 電壓關(guān)系分析

在進行電壓關(guān)系分析時只需對電路工作狀態(tài)(a)、(b)分別列寫KVL、KCL方程。

由圖2(a)列寫KVL方程則有：

式中：iL為電感電流；Uin為輸入電壓；VC為電容電壓；L為電感感值。

由圖2(a)列寫KCL方程則有：

式中：Ro為負載阻值；C為電容容值。

由圖2(b)列寫KVL方程則有：

由圖2(b)列寫KCL方程則有：

電路運行穩(wěn)定后，根據(jù)電感伏秒平衡關(guān)系[7]，即在一個開關(guān)周期內(nèi)，電感電壓對時間的積分為0，則有：

由式(5)可得電容C1、C2、C3的電壓為：

根據(jù)電路的關(guān)系則有VC3=UO，所以由輸入輸出的電壓關(guān)系，即電路的升壓比為：

3 參數(shù)計算

電感電流紋波過大會造成開光管和二極管的電流應力變大，不僅會使得這些器件的損耗增大，而且也不便于對這些器件的選擇，故希望電感電流紋波能夠盡可能小，一般電感電流紋波XL%(該值一般所取范圍為0.15到0.4)滿足以下公式[6]：

式中：ΔiL——電感電流的波動峰值；

IL——電感電流的平均值。

由于電路元件為理想器件，那么整個電路沒有功率損耗，即有：

則

將式(2)、(4)依據(jù)電容安秒平衡關(guān)系則有電感L2電流表達式為：

則按照式(1)、(6)、(8)、(10-12)可得出電感的參數(shù)表達式為：

式中：f——開關(guān)頻率。

電容電壓的紋波與電感電流紋波定義類似，按相同步驟可得電容的參數(shù)表達式為：

式中：XC%——電容電壓波動的相對值，一般取值范圍為0.01到0.02之間。

4 仿真驗證

為驗證方案可行性，利用matlab進行電路仿真，仿真參數(shù)按照前文公式計算得出并考慮一定的裕量，具體參數(shù)設定如下表1所示。

表1 實驗參數(shù)

仿真結(jié)果如下圖所示。

圖3、4是分別為電容C1、C2兩端電壓波形，通過模擬示波器讀出的值分別是23.87V、35.87V，與理論計算公式基本一致，圖5為輸入、輸出電壓，在輸入為12V時，通過模擬示波器讀出的值是35.9V波形，考慮損耗的情況下與理論計算值基本一致。

圖3 C1電壓波形

圖4 C2電壓波形

圖5 輸入、輸出電壓波形

5 結(jié)語

本文主要論述了準Z源變換器的工作原理，并對主要電路的電壓增益以及器件參數(shù)進行推導，仿真結(jié)果表明準Z源變換器可以提供較強升壓增益。