一種準Z-源DC-DC變流器的研究

　隨著科學技術的高速發展，開關電源由于具有低成本、小型化、高效率、高可靠性和穩壓范圍寬等優點，在自動控制、航空航天及新能源等眾多領域得到了廣泛使用。傳統的拓撲結構是Buck型或Boost型電路結構，雖然它們發展了多年，且控制技術也己經非常成熟，但是卻擺脫不了只能是單一結構這一固有缺點，從而使得傳統的電路拓撲結構在一些復雜的應用場合受到了挑戰[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-源網絡，為功率變換提供了一種新的思路和理論。與常規的拓撲結構相比，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-源網絡。Z-源拓撲由于采用了獨特的X型Z-源網絡電路而獲得了升/降壓、安全性能高、效率高（單級電路）等特點。Z-源網絡的加入對系統的動態性能有一定的影響，在開關電源的實際應用場合，體積、重量、動態響應和對負載的適應性都是至關重要的因素。針對Z-源拓撲的一些不足，參考文獻[1]在常規Z-源拓撲的基礎上又提出了一種新型結構——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，是對傳統意義上DC-DC拓撲的一個突破，是變流器研究的一個創新。
　本文是在準Z-源逆變器的結構上提出的，研究了這種拓撲結構在DC-DC方面的應用，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，輸出電壓質量高、結構簡單、性能穩定、反應靈敏且調壓精度高。

　主電路是準Z-源變流器電源能量的轉換電路，實現了從輸入電源側到最終負載側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，可以接直流穩壓源或經交流電整流濾波后的直流電壓源；P6為占空比可調的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并聯在功率開關管兩端構成RC箝位吸收電路對其進行保護，R2和R3都為保護電阻。
2.2 電感參數的設計
　準Z-源網絡的電感在開關管導通狀態中儲能，而在開關管關斷狀態中釋放電能。如果準Z-源網絡電感的電感量太小，儲能不夠，就會出現關斷狀態下的斷續電流模式，使得準Z-源變流器從原有的連續狀態進入斷續狀態，增加了系統控制的復雜度，而且這種斷續電流模式也使輸出電壓產生畸變，從而影響到輸出電壓的質量。考慮到準Z-源網絡的電感是直流電感，因此在設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-源網絡電感電流紋波等因素考慮，應選擇足夠大的電感。但是，從工程設計的角度出發，電感的增大會導致損耗、體積和重量的增加[3]。因此，設計Z-源網絡電感的原則為在滿足運行特性及穩定性的基礎上盡量減小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%。根據電感電流紋波設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，內設低電壓監測電路可以關閉暫時不使用的內部功能模塊。（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），定時器內部電路如圖6所示。

　由于MSP430的超低功耗和強大的數據處理能力，可以有效地消除電路引起的誤差，抑制干擾信號，提高輸出電壓的質量，控制電流的精度，在同類產品中有較高的性價比，因此本設計選用它作為控制器[4]。
在前面理論分析的基礎上，設計了一臺功率為50 W的實驗樣機，電源電壓24 V由直流穩壓源供給，光耦為TLP250驅動開關管，功率MOSFET管為IRF540N，二極管為SR520，其他采用仿真時的參數。
　本文提出的準Z-源DC-DC變流器與傳統的Buck型或Boost型DC-DC變流器相比具有兩大優點：（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-源網絡由于采用獨特的X型Z-源網絡，把Buck型或Boost型電路得特點集成到一起，電路設計硬件簡單，性能穩定。在保證高精度的前提下成本低、效率高，能夠很好的穩定工作，可以適應一些的特殊需要，具有較好的推廣應用價值。
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.精通開關電源設計[M].王志強，等，譯.北京：人民郵電出版社，2008.
[3] 張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計（修訂版）[M].北京：電子工業出版社，2004.
[4] 何希才.新型開關電源設計與應用（第一版）[M].北京：北京科學出版社，2001：19-34.