一種準Z-源DC-DC變流器的研究

　隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，開關(guān)電源由于具有低成本、小型化、高效率、高可靠性和穩(wěn)壓范圍寬等優(yōu)點，在自動控制、航空航天及新能源等眾多領(lǐng)域得到了廣泛使用。傳統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)是Buck型或Boost型電路結(jié)構(gòu)，雖然它們發(fā)展了多年，且控制技術(shù)也己經(jīng)非常成熟，但是卻擺脫不了只能是單一結(jié)構(gòu)這一固有缺點，從而使得傳統(tǒng)的電路拓撲結(jié)構(gòu)在一些復(fù)雜的應(yīng)用場合受到了挑戰(zhàn)[1]。為了克服上述理論缺陷，參考文獻[1]提出了一種新型的拓撲—Z-源網(wǎng)絡(luò)，為功率變換提供了一種新的思路和理論。與常規(guī)的拓撲結(jié)構(gòu)相比，Z-源拓撲無需前級的boost或者buck電路，增加了一個包含電感L1、L2和電容器C1、C2的Z-源網(wǎng)絡(luò)。Z-源拓撲由于采用了獨特的X型Z-源網(wǎng)絡(luò)電路而獲得了升/降壓、安全性能高、效率高（單級電路）等特點。Z-源網(wǎng)絡(luò)的加入對系統(tǒng)的動態(tài)性能有一定的影響，在開關(guān)電源的實際應(yīng)用場合，體積、重量、動態(tài)響應(yīng)和對負載的適應(yīng)性都是至關(guān)重要的因素。針對Z-源拓撲的一些不足，參考文獻[1]在常規(guī)Z-源拓撲的基礎(chǔ)上又提出了一種新型結(jié)構(gòu)——準Z-源拓撲。準Z-源拓撲和Z-源拓撲的基本原理大致相同。理論上來說，對于Z-源拓撲的各種控制方法和應(yīng)用都可以推廣到準Z-源拓撲上來。準Z-源拓撲作為一種全新的電力電子拓撲和理論，是對傳統(tǒng)意義上DC-DC拓撲的一個突破，是變流器研究的一個創(chuàng)新。
　本文是在準Z-源逆變器的結(jié)構(gòu)上提出的，研究了這種拓撲結(jié)構(gòu)在DC-DC方面的應(yīng)用，并通過搭建實驗樣機來進行了驗證。這種準Z-源拓撲電路無須調(diào)整，加電即可工作，可以提供更寬的輸出電壓范圍，輸出電壓質(zhì)量高、結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、反應(yīng)靈敏且調(diào)壓精度高。

　主電路是準Z-源變流器電源能量的轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)了從輸入電源側(cè)到最終負載側(cè)上直流電壓的形式的變換[2]。為了更加靈活地與控制電路、輔助電路相連接，設(shè)計主電路時留了很多端口。這些端口的功能是：P1、P8為電壓測量端口或負載接入端口；P2為電壓源側(cè)輸出電流測量端口；P3、P5為負載電流測量端口；P4為電源電壓輸入端口，可以接直流穩(wěn)壓源或經(jīng)交流電整流濾波后的直流電壓源；P6為占空比可調(diào)的PWM波輸入端口；P7為功率MOSFET管源漏極波形測量端口；P9為光耦輸出波形測量端口；P10為給光耦提供直流電壓源。R1和C3并聯(lián)在功率開關(guān)管兩端構(gòu)成RC箝位吸收電路對其進行保護，R2和R3都為保護電阻。
2.2 電感參數(shù)的設(shè)計
　準Z-源網(wǎng)絡(luò)的電感在開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)中儲能，而在開關(guān)管關(guān)斷狀態(tài)中釋放電能。如果準Z-源網(wǎng)絡(luò)電感的電感量太小，儲能不夠，就會出現(xiàn)關(guān)斷狀態(tài)下的斷續(xù)電流模式，使得準Z-源變流器從原有的連續(xù)狀態(tài)進入斷續(xù)狀態(tài)，增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜度，而且這種斷續(xù)電流模式也使輸出電壓產(chǎn)生畸變，從而影響到輸出電壓的質(zhì)量?？紤]到準Z-源網(wǎng)絡(luò)的電感是直流電感，因此在設(shè)計時對直流電感上的電流紋波加以控制也是必要的。因此，從可靠、安全和抑制Z-源網(wǎng)絡(luò)電感電流紋波等因素考慮，應(yīng)選擇足夠大的電感。但是，從工程設(shè)計的角度出發(fā)，電感的增大會導(dǎo)致?lián)p耗、體積和重量的增加[3]。因此，設(shè)計Z-源網(wǎng)絡(luò)電感的原則為在滿足運行特性及穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上盡量減小Z-源電感的取值。
　電感值越大，紋波電流越小，線路的損耗就會減小，但電感損耗和體積都會增大。通常電感上的紋波電流選擇為額定電流的15%~25%，本文取值為20%。根據(jù)電感電流紋波設(shè)計的電感值的計算公式有：



3.2 準Z-源變流器的實驗樣機
　控制器是電源控制電路的核心，本文選用MSP430作為控制器。MSP430系列微處理器是美國德州儀器生產(chǎn)的一種16 bit超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器。它將多個功能不同的模擬電路模塊、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上以滿足不同的需要。其主要特點有：（1）超低功耗，電源電壓采用1.8~3.6 V低電壓，在活動模式時耗電250 μA/MIPS，內(nèi)設(shè)低電壓監(jiān)測電路可以關(guān)閉暫時不使用的內(nèi)部功能模塊。（2）豐富的片上外圍模塊，看門狗（WDT）定時器，模擬比較器A，定時器A（Timer_A3帶3個捕獲/比較寄存器和PWM輸出的16 bit定時器），定時器B（Timer_B7帶7個捕獲/比較寄存器和PWM輸出的16 bit定時器），定時器內(nèi)部電路如圖6所示。

　由于MSP430的超低功耗和強大的數(shù)據(jù)處理能力，可以有效地消除電路引起的誤差，抑制干擾信號，提高輸出電壓的質(zhì)量，控制電流的精度，在同類產(chǎn)品中有較高的性價比，因此本設(shè)計選用它作為控制器[4]。
在前面理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一臺功率為50 W的實驗樣機，電源電壓24 V由直流穩(wěn)壓源供給，光耦為TLP250驅(qū)動開關(guān)管，功率MOSFET管為IRF540N，二極管為SR520，其他采用仿真時的參數(shù)。
　本文提出的準Z-源DC-DC變流器與傳統(tǒng)的Buck型或Boost型DC-DC變流器相比具有兩大優(yōu)點：（1）可以在相同占空比時提供比Boost型拓撲更高的輸出電壓，同時能得到比Buck電路更低的輸出電壓；（2）準Z-源網(wǎng)絡(luò)由于采用獨特的X型Z-源網(wǎng)絡(luò)，把Buck型或Boost型電路得特點集成到一起，電路設(shè)計硬件簡單，性能穩(wěn)定。在保證高精度的前提下成本低、效率高，能夠很好的穩(wěn)定工作，可以適應(yīng)一些的特殊需要，具有較好的推廣應(yīng)用價值。
參考文獻
[1] ANDERSON J， Peng Fangzheng. Four Quasi-Z-source inverters[C]. IEEE Power Electronics Specialists Conference， PESC′08， 2008：2743-2749.
[2] MANIKTALA S.精通開關(guān)電源設(shè)計[M].王志強，等，譯.北京：人民郵電出版社，2008.
[3] 張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計（修訂版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.
[4] 何希才.新型開關(guān)電源設(shè)計與應(yīng)用（第一版）[M].北京：北京科學(xué)出版社，2001：19-34.