几种Z源全桥DC-DC变换器的比较研究

广州大学机械与电气工程学院　曾范盛　王晓刚



几种Z源全桥DC-DC变换器的比较研究

广州大学机械与电气工程学院曾范盛王晓刚

【摘要】Z源全桥DC-DC变换器有较高的可靠性,但同时也具有电容电压应力较大，存在启动冲击等问题。准Z源网络和开关电感型Z源网络是在Z源网络的基础上改进得到，但也只能改善Z源网络存在的部分问题，这就导致使用者无法准确选择合适的电路拓扑。为此，本文对这三种全桥变换器拓扑进行了理论分析和仿真研究，从应用场合、性能优劣等方面进行了区分，为使用者提供参考。

【关键词】Z源；直通占空比；升压能力；电压应力

0　引言

为了解决Z源全桥DC-DC变换器存在的这些缺陷，国内外学者提出多种改进型的Z源网络，这些改进型拓扑在完善Z源变换器缺陷方面各有长处和欠缺。本文将对Z源、准Z源和开关电感型Z源全桥DC-DC变换器的工作原理进行详细的分析，并对三种变换器的性能进行对比，以便使用者能够准确选用需要使用的变换器拓扑[4-6]。

1　三种Z源全桥DC-DC变换器的工作原理

1.1Z源全桥DC-DC变换器的工作原理

主电路拓扑如图1所示。

图1　Z源全桥DC-DC变换器主电路拓扑图

Z源网络的2个电容和2个电感对称连接组成，取电容值C1=C2=C,电感值L1=L2=L,由此可得uC1=uC2=uC、uL1=uL2=uL。其在直通和非直通工作模式下的等效电路图如图2所示，Udc为Z源网络的输出电压，Uin为输入电压。

图2　Z源网络工作时等效电路图

由伏秒平衡原理，即在一个周期内电感的平均电压为零[7-8]。设开关周期为T，直通占空比为D，逆变桥臂直通时间Ton=DT 、非直通时间Toff=(1-D)T。 则有：

由式（1）、（2）、（3）可得：

由式（4）可得Z源网络的升压因子B=1/(1-2D)。

1.2准Z源全桥DC-DC变换器的工作原理

秀容月明一边跑，一边朝天上望，今晚的月亮又大又亮，我在看月亮，乔瞧也在看月亮吧？秀容月明忽然想到了母亲，我走的时候，真该去看看母亲，我再回来，也不知什么时候了。

主电路拓扑如图3所示。

图3　准Z源全桥DC-DC变换器主电路拓扑图

准Z源网络在直通和非直通工作模式下的等效电路图如图4所示。

图4　准Z源网络工作时等效电路图

由伏秒平衡原理可得：

由式（5）、（6）、（7）可得：

由式（8）可得准Z源网络的升压因子B=1/(1-2D)，与Z源网络的升压因子相等。

1.3开关电感型Z源全桥DC-DC变换器的工作原理

主电路拓扑如图5所示。

图5　开关电感型Z源全桥DC-DC变换器的主电路拓扑图

开关电感型Z源网络中，L1、L3、D1、D2、D3和L2、L4、D4、D5、D6分别组成上下两个开关电感单元，且参数相同，在主电路开关过程中起到能量存储和向直流链路传递能量的作用[9-10]。其在直通和非直通工作模式下的等效电路图如图6所示。

图6　开关电感型Z源网络工作时等效电路图

由伏秒平衡原理得：联立（9）、（10）、（11）整理可得：

由式（12）可知开关电感型Z源全桥DC-DC变换器的升压因子B=(1+D)/(1-3D)。

图7　Z源全桥DC-DC变换器仿真电路图

2　三种Z源全桥DC-DC变换器的仿真比较研究

在理论分析的基础上，利用PSIM软件对3种变换器拓扑进行开环仿真研究。仿真模型如图7所示，电路其他部分保持不变，Z源网络部分分别为前面研究的3种拓扑，仿真参数为：输入直流电压为100V，开关管的开关频率为20KHZ,每个桥臂的开关管导通占空比为0.6，且相位相差180o,可知逆变桥臂的直通占空比为0.2，Z源网络电感和电容参数

通过对3种Z源全桥DC-DC变换器的仿真，可以得到仿真数据如表1所示。

表1　3种全桥DC-DC变化器的仿真结果及性能对比表

对比仿真结果可以看出，Z源全桥DC-DC变换器在开关管导通有很大的冲击电流；稳态后电流不连续；电容电压较高；升压能力有限。在克服Z源网络以上问题方面，两种改进型网络在不同方面表现不同的能力。

在提高升压能力方面，开关电感型Z源网络升压能力最强，适合输出较高直流电压的场合，但其电容电压很大，无疑会增加变换器的体积和成本。Z源网络与准Z源网络升压能力一样。在降低电容电压应力方面，准Z源网络的一个电容电压明显小于Z源网络的，从而有效减小变换器的体积和成本。在抑制启动冲击，解决输入电流不连续方面，显然准Z源网络更有优势，不仅能有效的抑制启动冲击，减小冲击电流，且使输入电流连续，提高了变换器可靠性和输入电源的使用寿命。而开关电感型Z源网络也可有效抑制启动冲击，但是输入电流不连续。在拓扑成本和变换器体积方面准Z源网络体积最小成本必然最低，开关电感型Z源网络增加的元器件相对较多，体积最大，成本也最高。

3　结论

通过本文的分析总结可知：准Z源网络在改善电容电压应力和启动冲击方面性能优越，升压能力与Z源网络相同，适用于输出电压不是很大，但对输出电压要求严格的场合。开关电感型Z源网络升压能力较前两种阻抗网络大幅度提升，抑制启动冲击方面效果也非常好，但是很高的电容电压应力和更多元器件的加入，对变换器的体积和成本是一种挑战，适用于大功率的场合。

参考文献

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曾范盛（1987—），男，硕士研究生，主要研究方向：电力电子技术等。

王晓刚（1976—），博士，副教授，主要研究方向：电力电子技术和微电网技术等。

作者简介：

基金项目：广东省科技计划项目（2015A010106015）。