多种阻抗网络升压变换器拓扑结构优化研究

陆 灏，武保东

(1.安徽省人防建筑设计研究院，安徽 合肥 230001；2.安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001)

近年来，可再生能源发电对可靠和高性能的功率调节系统的需求不断增加。如光伏发电系统，燃料电池，和小型风力涡轮机等可再生能源通常由于输出电压低，其发展受到限制。因此，需要高升压比变换器提高分布式电源的输出电压来连接公用电网[1]。传统Boost变换器升压能力受到系统稳定性和寄生参数的制约，使用范围有限。为了获得较高电压增益，开关电感、开关电容、磁集成、阻抗网络等技术运用到升压变换器中。文献[2]首次提出Z源阻抗网络升压变换器，阻抗网络结构简单，效率高，相比传统Boost电路升压能力更强，Z源阻抗网络可以应用于DC-DC、DC-AC、AC-AC功率变换器。为提高Z源升压能力，克服电容电压应力过大，输入电流断续，启动冲击电流等问题，国内外学者相继提出了多种改进拓扑变换器来提高Z源阻抗网络的性能。如文献[3]提出了准Z源，文献[4]设计研究了五电平中点钳位式Z源逆变器，提高了直流电源的利用率；文献[5]基于开关电感Z源研究了三电平中点钳位逆变器。此外，阻抗网络中引入耦合电感，通过灵活改变耦合电感匝数比能够获得更高的电压增益，改善变换器的性能。

文献[6-7]先后比较了多种Z源逆变器的性能及应用背景分析，具有一定参考价值，但不够全面，缺少对耦合电感阻抗源升压变换器的分析与比较。本文结合国内外对阻抗源网络升压变换器研究成果，通过理论分析及仿真波形研究，对比多种阻抗源升压变换器性能，从而挑选出性能较优的拓扑结构。

1 Z源拓扑族升压变换器拓扑及特性分析

1.1 传统Z源升压变化器

传统Z源升压变换器拓扑结构如图1所示。其中，Z源阻抗网络对称，存在以下关系。

图1 传统Z源升压变换器拓扑结构

C1=C2=C，L1=L2

(1)

由于Z源阻抗网路是对称的，因此

VC1=VC2，VL1=VL2

(2)

传统Z源升压变换器有开关导通和开关断开两种工作状态，等效电路图如图2所示。

(a)

(b)图2 传统Z源升压变换器工作状态等效电路图

开关导通工作状态如图2(a)所示。开关S导通，二极管D1和D2截止，电容C1和电容C2分别向电感L1和L2充电。此时有

VC=VL，VO=0

(3)

开关关断工作状态如图2(b)所示，开关S关断，二极管D1导通，电容C1和C2分别由电源经电感L1和L2充电，此时有

VL=VDC-VC

(4)

VO=VS=VC-VL=2VC-VDC

(5)

设开关S导通的时间为T1，关断时间为T2，根据电感电压在一个周期内伏秒平衡关系得

(6)

(7)

(8)

(9)

其中d为导通占空比，B升压因子。从式(9)可以看出，随着占空比d(0

1.2 准Z源升压变化器

两种准Z源拓扑结构如图3所示，准Z源采用了和传统Z源相同的元器件，结构略有所不同。图3(a)为电容不对称电流连续型克服了传统Z源输入电流不连续的缺点；图3(b)为电容对称电流断续型电源直接与阻抗网络串联，减小了电容的电压应力，但和传统Z源一样输入电流依然是断续的。两种准Z源的电压增益并没有得到提高。

(a)

(b)图3 准Z源升压变换器拓扑结构

准Z源和传统Z源工作状态类似也分为开关导通和关断状态两种工作状态。对准Z源运用类似于传统Z源原理分析，可以得到稳态状态时有

不对称型

(10)

(11)

对称型

(12)

输出电压

(13)

由式(10)可知稳态时不对称型电容C1两端的电压应力比传统Z源的电容C1两端电压应力较小。对称型两个电容的电压应力相等且都较小。从式(13)可以看出准Z源的升压能力并没有得到提升。

(a)

(b)

(c)图4 级联准Z源升压变换器

文献[8]提出了准Z源升压型DC-DC变换器，其拓扑结构如图4(a)所示。通过改变电容C1与C3末端连接的位置得到新型准Z源级联升压变化器[9]，其电路拓扑结构如图4(b)所示。两种新型准Z源结构类似，开关管S2和S3同时导通和关断，与S1导通关断时间互补，因此具有四种稳态工作状态。并且具有相同升压能力，与传统Z源升压变换器相比，升压能力更强，且在升压比相同情况下，电容电压应力更小。在上述两种准Z源的基础上进行改进，文献[10]提出了矿用级联准Z源DC-DC变换器，其拓扑结构如图4(c)。该变换器用两个二极管代替了开关管S2和S3，并增加了一级结构，并把前级结构中的电容器C2换成了二极管，降低了元件的电压应力，提高了电压的增益，降低了开关管的损耗。

1.3 开关电感Z源变换器

近年来，为了提高传统DC-DC升压变换器的升压能力开关电感，开关电容等技术已经成功运用在DC-DC升压变换器中。目前国内外某些文献把开关电感，开关电容技术运用到Z源阻抗网络中，来提高变换器的升压能力。

开关电感Z源变换器如图5所示，用两个开关电感单元代替了传统Z源中的两个电感。开关管S导通时，二极管D1、D2、D4和D7截止，二极管D3、D5、D6、D8导通，电感L1和L2并联，电感L3和L4并联；开关管S关断时，二极管D3、D5、D6、D8截止，二极管D1、D2、D4和D7导通，电感L1和L2串联，电感L3和L4串联。

图4 开关电感Z源变换器

由于采用开关电感代替了传统Z源网络中的电感，升压能力得到了提升，但是导通占空比的变化范围有所变小并且输入电流依然是断续的。开关电感型Z源提供了一种提升阻抗源网络变换器输出电压能力的思路，即采用升压单元代替阻抗网络中部分电感。

文献[11]基于此提出了开关电感型quasi-Z源变换器，该变换器用开关电感单元代替了准Z源中的电感L1，解决了输出电流质量和升压倍数之间的矛盾。文献[12]通过对Z源逆变器的研究，总结出一种系统构造Z源DC-DC变换器的方法，设计了四种阻抗网络，并通过改变其与电源的连接方式可以得到一系列高增益Z源DC-DC变换器。

2 基于耦合电感阻抗网络升压变换器

2.1 Trans-Z源变换器

国外一些学者采用两绕组耦合电感技术代替Z源网络中的电感，通过改变耦合电感W1和W2的匝数比以及占空比，可以进一步提升了阻抗源网络的升压能力。文献[13-14]提出了几种Trans-Z源变换器，拓扑结构分别如图5所示。

(a)

(b)

(c)

(d)图5 四种Trans-Z源变换器

图5(a)所示为Trans-Z源和传统Z源相比减少了一个电容，节省了成本，而且电压增益相同情况下，该变换器相比传统Z源，开关管电压应力有所降低。将电容C的阴级接到直流电源与二极管之间得到Trans准Z源，其拓扑结构如图5(b)所示， 此拓扑与Trans-Z源具有相同的电压增益。 在Trans-Z源的输入端增加了由电感Lf和电容Cf组成的滤波单元， 改进成图5(c)所示滤波Trans-Z源1， 在保证电压增益不变的情况下，减小了输入电流谐波，减少了对耦合电感铁芯的影响。图5(d)为滤波Trans-Z源2是图5(c)变换模式，将LC滤波器和直流电源作为一个整体移动到电容C阴极和开关管S的阴极之间。

2.2 Γ型Z源变换器

同Trans-Z源类似，Γ-Z源阻抗网络中也采用双绕组耦合电感来提升变换器的电压增益。文献[15-16]提出了的两种Γ-Z源变换器，电流输入连续型Γ-Z源1其拓扑结构如图6(a)所示，该Γ-Z源是由Trans-Z源改进而来，将电容C1的阳极接在了二极管和绕组W1之间，并且增加了一个电感L和电容C1，使得输入电流连续。将图6(a)中耦合电感绕组W2的同名端改接在二极管和W1之间，非同名端和电容C的阳极相连接，得到电流输入连续型Γ-Z源2，其拓扑结构如图6(b)所示，其输入电流也是连续的。这两种Γ-Z源电压增益及电容C1的电压应力均相同。

(a)

(b)图6 两种Γ-Z源变换器

2.3 Y源变换器

Yam P. Siwakoti等提出了Y源变换器[17-18]，拓扑结构如图7所示。Y源集合了T型Z源和Γ型Z源的升压特点，更能够体现基于耦合电感型阻抗网络升压变化器的优点。Y源采用三绕组耦合电感和电容组成升压网络，耦合电感匝数设计灵活，而且匝数比和总匝数可以保持在较小的范围，但是输入电流不连续，启动时会产生冲击电流。

图7 Y源变换器

文献[19]提出的新型Y源变换器如图8(a)所示。其拓扑结构在传统Y源升压变换器的基础上在电源输入端增加了一个电感，并且在增加了一个电容，首尾两端分别和电感及耦合电感绕组W3的非同名端相连。该拓扑结构避免了输入电流不连续，提高了电压增益。文献[20]基于该新型Y源逆变器提出了一种新型功率解耦方法，通过在全桥中点和两个桥臂之间增加解耦电容，在确保不影响输出电压情况下，将功率波动完全转移到两个电容上。

(a)

(b)图8 输入电流连续Y源变换器拓扑结构

文献[21]提出了的准Y源变换器如图8(b)所示。其拓扑结构是将新型Y源变换器中的电容C2和二极管D调换了位置，二者电压增益相同，并且由于增加直流电容，避免了传统Y源耦合电感铁芯磁饱和的现象。

结合boost电路和Y源提出了双输入Boost-Y源DC-DC变换器。该变换器输入电流连续，电压增益高，两路输入能够分别以及协同给负载提供电能，避免了传统Y源磁饱和问题，但该变换器有两个开关管，稳态工作状态有四种模式，控制策略带相对较为复杂。此外基于耦合电感阻抗源网络升压变换器还有A源[22]，Δ源[23]等其他拓扑结构类型。

3 各种阻抗源升压变换器性能分析

3.1 电压增益及电容电压应力分析

各阻抗网络升压变换器升压因子及电容两端电压表达式如表1所示。其中，nT为四种Trans-Z源耦合电感W1与W2匝数的比值，nΓ为两种Γ-Z源耦合电感W1与W2匝数的比值，β=(N1+N2)/(N2-N3)，式中N1、N2和N3分别为Y源中Y型耦合电感W1、W2和W3的匝数比。

通过调整耦合电感各绕组的匝数比，可以改变耦合电感阻抗网络变换器的升压因子，升压因子的增大，将导致可利用的占空比范围缩小，并且个电容电压应力也会增大。为了便于比较不同类型耦合电感阻抗源变换器的性能，令其升压因子B的分母为相等表达式(1-Kd)，通过推导可以得到各耦合电感阻抗源升压因子B及各电容电压表达式，如表1括号中所示表达式。

(a)升压因子曲线

(b)电容电压应力图9 多种拓扑阻抗网络变换器性能对比

图9(a)为不含耦合电感型Z源升压因子随占空比d变化曲线图，图中，曲线1表示传统Z源、准Z源以及各种耦合电感阻抗源变换器(K=2)升压因子随占空比变化曲线，曲线2表示准Z源升压型、新型准Z级联以及各种耦合电感阻抗源变换器(K=3)，曲线3表示开关电感源Z源，曲线4表示矿用级联准Z源，曲线5、6和7分别表示K=4、5和6时耦合电感阻抗源变换器升压因子随占空比变化曲线。从图中可以看出矿用级联准Z源的升压能力较强，通过级联升压单元能明显是提高阻抗网络的升压能力。随着K值增大，耦合电感型阻抗源的升压能力明显提升，但也使占空比可利用范围减小。

图9(b)为不含耦合电感型Z源各电容电压应力与占空比d变化曲线。图中，曲线1表示传统Z源C1，2以及不对称准Z源C2；曲线2为不对称准Z源C1以及对称准Z源C1，2；曲线3为新型准Z源级联C2，4；曲线4为新型准Z源级联C1；曲线5为新型准Z源级联C3；曲线6为矿用准Z源C1；曲线7为矿用级联C2，3，4，5；曲线8为开关电感Z源C1，2。从图中可以看出矿用准Z源级联电容电压应力随占空比增大上升的最快，传统Z源及不对称准Z源电容电压应力则较小。

表1 各种阻抗网络变换器参数表达式

3.2 仿真对比分析

对上述阻抗源网络升压变换器利用MATLAB/Simulink软件进行了仿真波形分析，占空比d=0.2，输入电压VDC=60V，K=3。各变换器输出电压VO，输入电流Iin，电容电压VC大小如表2所示，仿真波形如图10所示。

表2 各拓扑仿真输出

图9 多种拓扑仿真波形

图10中，(a)-(p)分别为传统Z源、不对称准Z源、对称准Z源、新型准Z源升压、新型准Z源级联、矿用级联准Z源、开关电感Z源、Trans-Z源、Trans准Z源、滤波Trans-Z源1、滤波Trans-Z源2、连续型Γ-Z源1、连续型Γ-Z源2、Y源、新型Y源、准Y源。结合图10和表2，可以看出传统Z源升压能力有限电容电压应力较大，且输入电流断续。两种准Z升压能力并没有提高，不对称准Z源电容C1电压应力明显减小，输入电流连续且明显减小，对电路冲击较小，但电容C2电压没有改变，对称准Z源电容电压应力均明显减小，但输入电流断续。新型准Z升压及级联型升压能力提高，输入电流不变且连续，对电路拓扑冲击较小，级联型电容C1和C3电压明显过大。矿用级联准Z源升压能力进一步提高，输入电流翻倍，电容电压应力并没有明显增大。开关电感Z源升压能力相较于传统Z源升压能力有所提高，电容电压及输入电流也明显增大，且输入电流断续，对电路冲击较大。新型准Z源升压、新型准Z源级联、矿用级联准Z源及开关电感Z源均采用增加升压单元提高升压能力，随着元器件的增多，耗能增加，效率降低而且成本上升。

耦合电感阻抗源变换器通过改变K值(即通过改变耦合电感绕组匝数比)，可以显著改变升压能力。图10及表2也分别给出了当K=3时仿真波形及输入输出数据。四种Trans-Z源中两种滤波型输入电流连续且值都较小，并且滤波Trans-Z源2两个电容电压应力都较小，性能较优。两种连续型Γ-Z源性能相同。从图10中可以看出相比于其他两种Y源新型Y源输入电流及两个电容电压波动范围都较大。从以上分析可以看出，滤波Trans-Z源2性能较优。

4 结论

本文对各种阻抗源网络升压变化器的拓扑结构进行了分析研究，对比了各种阻抗源的优缺点。传统Z源升压能力有限，电流断续，电容电压应力较高。准Z源虽然减小电容电压应力，升压能力并没有提高。几种级联型通过增加升压单元提高了电压增益，但也导致部分电容电压应力过大，并且由于元器件的增加，损耗及成本过高。耦合电感型通过改变耦合电感匝数比能够显著提高电压增益，并且元器件较少，但存在漏感问题。相对而言滤波Trans-Z源2的升压能力明显，电容电压应力控制在合理范围内，冲击电流较小，性能较优。