新颖的单相电压型准Z源交交变换器

房绪鹏，徐飞，许玉林，李昊舒

（山东科技大学电气与自动化工程学院，山东 青岛 266590）

新颖的单相电压型准Z源交交变换器

房绪鹏，徐飞，许玉林，李昊舒

（山东科技大学电气与自动化工程学院，山东 青岛 266590）

提出了新型级联升压准阻抗源AC-AC变换器的电路拓扑，分析了电路的基本结构和工作原理。这种电路拓扑可以与原始准Z源制定相同的调制方法进行操作，而且仅比原始准Z源的有源开关数量多2个。采用脉冲宽度调制法对电路进行控制从而改变输出电压，利用电感伏秒特性，用Matlab/Simulink对电路仿真，最后在仿真结果的基础上用TMS320F2812搭建出实验电路，实验结果和仿真结果共同验证了电路结构的可靠性和正确性。

准阻抗源；新型AC-AC变换器；级联升压；伏秒平衡；缓冲宽度调制

近年来，准阻抗源电路拓扑在许多升降压变换器拓扑结构中得到普及［1-3］。理论上，准Z源电路可产生无限增益，但由于寄生元件的影响这是无法实现的，直通占空比和调制系数互相影响，从而限制了输出电压［4-5］。增加升压因子会影响调制系数，会使在调制系数较低时的输出电能质量变差［6-7］。并且，由于输出电压的脉动特性，开关管上的电压应力会变大［8-10］。因此在升压要求很高的场合传统的准Z源交流变换器不适用。

不像DC-DC变换器，在大幅度提升准Z源AC-AC变换器增益方面的研究还相对较少［11-13］。但是，在很多情况下需要很高的电压增益，就要求电源和负载之间的交流电源转换器具有较大的升压比［14］，这种情况往往不能用单个准Z源来实现。

根据文献［15］在准Z源变换器的基础上提出并深入分析了一种新型级联升压准阻抗源变换器。这类变换器既保留了传统准Z源交流变换器电路拓扑的优点，可以用与传统准阻抗源拓扑相同的控制策略，同时还增大了电压增益，降低功率开关和阻抗源网络中储能电容的电压应力。文章介绍了新型电压型准阻抗源交流变换器的电路拓扑结构，分析了工作原理，通过仿真和实验结果验证了理论分析。

1 新型准阻抗源交流调压器的电路拓扑结构

新型准Z源AC-AC变换器的电路拓扑如图1所示，将准阻抗源进行级联，组成大升压比阻抗网络替换原始准阻抗源所在的位置，大升压比阻抗网络由3个储能电感，3对全控型开关，4个电容组成，全控型开关由电力MOSFET/IGBT和反并联二极管面对面进行串联组成双向开关。该拓扑的优点是在相同的开关管占空比下有更高的输出电压，并且减小了器件的电压应力，因为MOSFET/IGBT通态电阻较小，从而提高了电路的工作效率。

图1 新型准阻抗源AC-AC电路Fig.1 Novel quasi-Z-source AC-AC converter

2 新型准阻抗源交流调压器的工作状态分析

图1所示的新型准阻抗源交流变换电路将S3看做一大组开关，作为主开关，S1和S2看做一大组开关，作为辅助开关，用互补的PWM信号对2大组开关进行控制，1个开关周期内2大组功率开关管互补导通。因为开关频率远远大于输入电源的频率，所以电路在1个工作周期内的输入电压可看做直流进行分析。新型准Z源AC-AC变换器的工作分析如下：

工作模式1，如图2a所示。主开关S3导通，开关S1和S2同时关断，电源和新型准Z源网络中的电容给电感充电，Lf给负载供电，图中箭头为器件中的电流方向。

工作模式2，如图2b所示。所有开关管的开关状态和状态1中的状态相同，只是滤波电感中电流的流向会发生改变，滤波电感中的电流递减到0时滤波电容向滤波电感充电，大升压比准Z源网络电感中的电流反向增加。

工作模式3，如图2c所示。主开关S3关断，S1和S2同时导通，此时如果滤波电感中的电流反向，大升压比准Z源网络会由滤波电感反馈电能，电源和大升压比阻抗网络中的电感会给电容充电，同时负载会由Ui，L1，L2，L3同时供电。

工作模式4，如图2d所示。开关管的状态和状态3中的状态相同，滤波电感中的电流正向流动，电源和大升压比中的电感给负载供电，L1，L2，L3中的电流将会递减。

工作模式5，如图2e所示。大升压比准阻抗源网络电感中流动的电流递减到与滤波电感中流过的电流相等时，大升压比准阻抗源网络中的电容向负载提供电能。

图2 准阻抗源AC-AC变换器的5种工作模式Fig.2 The five operate states of the quasi-Z-source AC-AC converter

图3所示为准阻抗源AC-AC变换器电路拓扑在输入电压为20 V时的电容电压波形。

图3 准阻抗源AC-AC变换器的电容电压波形Fig.3 Capacitor voltage waveform of the quasi-Z-source AC-AC converter

图4所示为准阻抗源AC-AC变换器电路拓扑在输入电压为20 V时的电感电流波形。

图4 准阻抗源AC-AC变换器的电感电流波形Fig.4 Inductor current waveform of the quasi-Z-source AC-AC converter

总体而言，电路拓扑的5种工作模式是在2大组开关互补导通的条件下成立的，并且当2大组开关状态相同时，回路中有相同的电压关系。所以，电路拓扑总体上可分为模式1和模式4为基本工作状态的2种工作模式。因此电容两端的电压在1个工作周期中有2种状态，如图5所示。

图5 D=0.2时不同工作模式下的电容电压波形Fig.5 Capacitor voltage waveform of different operating modes when D=0.2

图5中，工作模式1和模式2对应电容电压的下降过程，工作模式3到工作模式5对应电容电压的上升过程。

电感和电容的能量是互补的，所以在1个完整的工作状态中，电感中的电流也有2种状态，如图6所示。

图6 D=0.2不同工作模式下的电感电流波形Fig.6 Inductor current waveform of different operating modes when D=0.2

图6中，工作模式1和工作模式2对应电感电流的上升过程，工作模式3到工作模式5对应电感电流的下降过程。

3 升压比计算

在模式1和模式2中时，可得：

在模式3到模式5中时，可得：

令D为S3开通的占空比，T为开关周期，DT为主开关S3的导通时间，（1-D）T为辅助开关S1和S2同时导通的时间。

为了保证准阻抗源网络电感在1个周期内电流增量为零，需要符合伏秒平衡原理［6］：

由上面等式可以得到：

可推导出电容器电压和Ui有如下关系：

对于滤波电感Lf，由伏秒平衡原理得：

其中，UL3=-UC4，最后可得输入和输出的电压关系如下：

新型准Z源交流调压器与传统准Z源交流调压器升压能力对比关系如图7所示。

图7 升压能力对比Fig.7 Boost capability contrast

图7中，B为升压因子，D为直通占空比。由对比图可知，新型准Z源交流调压器在有相同占空比的情况下具有更强的升压能力。

4 仿真验证

在Matlab/Simulink下给出系统仿真结果，仿真参数为：L1=L2=L3=100µH，C1=C2=C3=C4=47µF，Lf=1 mH，Cf=50 µF，R=10 Ω，fs=20 kHz，Ui=12 V。图8和图9分别给出了D=0.7和D=0.2时仿真的降压和升压的波形。

图8 D=0.7输入和输出电压波形Fig.8 Input and output voltage waveforms when D=0.7

图9 D=0.2输入和输出电压波形Fig.9 Input and output voltage waveforms when D=0.2

经分析可知，当负载不同时，输入电流有可连续和不连续2种情况。当负载电阻较小时，输入电流连续，当负载电阻较大时，输入电流不连续。选取负载电阻为10 Ω时，输入电流连续，当选取负载电阻为1 000 Ω时输入电流断续。当其他器件的参数相同，负载电阻为1 000 Ω的仿真结果如图10所示。

图10 D=0.5时负载电阻为1 000 Ω时输入输出电压关系Fig.10 Input and output voltage waveforms when D=0.5 and R=1 000 Ω

由图10可以看出，当负载电阻较大时，输出电压需要相对较长的时间可达到稳定状态。

5 实验结果

搭建实验电路，控制电路部分采用TMS320F-2812作为信号发生芯片，产生出互补的PWM信号用以控制2大组开关的导通状态，采用落木源KA962D驱动板作为驱动部分，主电路的全控型开关采用SGH80N60UFD Ultrafast IGBT，电路元件参数为：L1=L2=L3=100µH，C1=C2=C3=C4=47µF，Lf=1 mH，Cf=50 µF，R=10 Ω，fs=20 kHz，Ui=12 V，输入电压24 V，示波器测出了D=0.1和D=0.65时的升压和降压波形。

电路升压时的波形如图11所示（输入、输出20 V/格）。

图11 D=0.1升压波形Fig.11 Boost waveforms when D=0.1

电路降压时的波形如图12所示（输入10 V/格，输出5 V/格）。

图12 D=0.65降压波形Fig.12 Buck waveforms when D=0.65

6 结论

详细分析了新型准Z源变压拓扑的工作原理，用Matlab/Simulink进行了仿真研究。最后在以TMS320F2812作为控制芯片的平台上搭建出了实际的实验电路，理论分析和实验结果共同表明，这种拓扑有更强的升压能力，能适用于电源电压较低且需要较高电压输出的场合，并且降低了电容的电压应力。

这种拓扑结构同时也适用于DC-DC变换电路中，有很高的工程应用价值，相比于其他类型的准Z源电压变换器有更高的工作效率，也有更宽的实际应用范围。

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Single-phase Voltage-fed Quasi Impedance Source AC-AC Converter

FANG Xupeng，XU Fei，XU Yulin，LI Haoshu
（College of Electrical Engineering and Automation，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，Shandong，China）

A new type of cascaded boost quasi impedance source AC-AC converter was presented，its circuit structure and working principle were analyzed.This kind of inverter could be operated with same modulation methods that were developed for original ZSI.And it had only two more active switches than original ZSI.The output voltage of the circuit was controlled by pulse width modulation method.According to the volt-second characteristics of the converter，the Matlab/Simulink was used to perform the simulation for the AC converter circuit.The experimental circuit based on TMS320F2812 was built，both of the experimental results and simulation results verifiy the reliability and validity of the circuit.

quasi impedance source；new type of AC-AC converter；cascaded boost；volt-second balance；pulse width modulation（PWM）

TM423

A

10.19457/j.1001-2095.20170604

2016-05-13

修改稿日期：2016-12-28

山东科技大学研究生教育创新计划项目（2014BK023）；山东省自然科学基金（ZR2009FM017）；

中国博士后科学基金（20090461254）；山东省“泰山学者”建设工程专项经费；山东科技大学科研创作团队资助

房绪鹏（1971-），男，博士，副教授，Email：1967797056@qq.com