山东科技大学 尚庆栋

1.Z源网络在SEPIC电路中的应用

传统的Sepic电路能简单的实现升压和降压的功能，而且电源的输入电流和负载的输出电流都是连续的，有利于输入、输出滤波，但它的升压比U=D/(1-D)，D为开关的导通比，当D<0.5时实现降压功能，当D>0.5时实现升压功能，而且要实现很高的升压比时，开关的导通比D接近1，这样开关导通时间过长而截止时间过短，会导致损耗和温升过大，影响实用。[1]

图1 基于Z源网络的SEPIC直流变换电路

图2 基于Z源网络的BOOST直流变换电路

图3 基于Z源网络的双向直流变换器电路

把Z源网络引入到SEPIC电路中进行拓扑会很好的解决传统的SEPIC电路所产生的问题，如图1所示为基于Z源网络的SEPIC电路的拓扑。

当全控器件导通即在Ton期间，电容C1、C2、C3处于放电状态，分别通过VT对L1和L2、L3储能，把内部储存的电场能量转化为磁场能量储存到电感中，电感L1、L2和L3处于储能状态，流过的电流I1、I2和I3是线性上升的，其两端电压UL1on=L1· dI 1/dt 、UL2on=L2· dI 2/dt 和UL3on=L3· dI 3/dt ，电压方向为正值，从而使二极管D1阴极电位升高，D1承受反向压降而截止，输入电源Ui被切除，二极管D2阳极电位降低，D2也承受反向压降而截止，此时电容C0处于放电状态，对负载R供电。

在开关管VT关断期间即TOff期间，电感L1、L2和L3处于释放能量的状态，流过的电流I1、I2和I3线性下降，其两端电压UL1Off、UL2Off和UL3Off为了维持电感中的电流方向不变而改变方向，从而使二极管D1阴极电位降低，D1承受正向压降而导通，二极管D2阳极电位升高，D2也承受正向压降而导通，D1导通把输入电源Ui接入，和电感L1、L2、L3一起既给电容C1，C2，C3和C0充电，同时也向负载R供电[2]。

开关VT导通比为D，开关周期为T，则导通时间TON=DT，关断时间Toff=(1-D)T，升压比∂我们根据电感电流在一个周期内的变化率相等来推导可以得出升压比：

对于Z源调压电路：当D<1/3时∂<1即实现降压功能，当D>1/3时，∂>1即实现升压功能，且当导通比D接近0.5时升压比可无穷大；而对于传统的Sepic电路而言，当D<0.5时∂<1即实现降压功能，当D>0.5时，∂>1即实现升压功能，且当导通比D接近1时升压比才可无穷大。在相同的导通比下，Z源调压电路的升压比大于传统Sepic电路的升压比。此结构中在开关导通比D<0.5时就可以实现传统Sepic电路的升降压功能，从而弥补了传统Sepic电路实现升压时导通比D>0.5甚至更大的不足。[8]

2.Z源网络在BOOST电路中的应用

BOOST直流斩波电路同SEPIC电路在升降压上存在类似的问题，传统BOOST拓扑升压困难，因为当该电路需要很大的输入输出比∂时，开关导通比D接近1，例如当输入输出比大于5时，D大于0.8，这样开关导通时间过长而开关截止时间过短，从而导致损耗和温升过大，影响实用。为此本文提出一种基于Z源的DC/DC直流变换器，可以有效解决上述问题[3]。如图2所示是将Z源网络引入到BOOST电路中的电路图。

与前述基于SEPIC电路的Z源直流变换器工作原理类似，通过对全控器件处于开通和关断期间的等效电路进行分析，利用在一个周期内电感的输出平均电压为零可以得出输入输出的比值为：

将Z源直流变换器拓扑和传统BOOST拓扑的升压因子做比较，用MATLAB推出升压因子∂和开关导通比的关系曲线，在导通比小于0.5的情况下Z源变换器理论上可以提供无限高的输出电压，且同样导通比下z源变换器的输出远高于传统BoosT。[4]

3.Z源网络在双向直流变换器中的应用

传统的双向DC-DC变换电路，通过改变变换器中变换单元之间的驱动相角差便能控制直流源之间的能量流动。该电路通过变压器漏感传递能量，在nU1/U2偏离1较大时(其中n为高频变压器变比)，存在较大的环流，不适合于宽调压应用。另外，逆变桥中每个桥臂的上下开关管不能直通，否则电源被短路，损坏开关器件并引发系统崩溃，所以其可靠性相对要差。从控制模型来看，由于系统不同功率流向时小信号模型不同，如果采用统一的闭环调节器，其校正和综合就比较困难，所以通常采用两套独立的控制环实现功率的双向流动，这限制了双向DC-DC的应用。[5]

本文提出一种基于Z源网络的双向DCDC变换器其两侧电路完全对称，电路上没有高低侧之分，并且电源为电压源或电流源均可。系统的电压调节可以通过阻抗网络来实现，具有较宽的电压调节范围。同时电路可靠性高，在燃料电池、光伏和风力发电等新能源领域具有重要的应用价值。[6][7]

如图3为将Z源网络引入到双向直流变换器中的电路图。

由图可知，Z源网络在电路中完全对称，所以可以实现能量双向传输，大大的节省了设备的体积，提高了设备运行的效率，通过与SEPIC电路相似的电路工作原理分析得出，此电路的输入输出比为：

当D<2/3时∂<1即实现降压功能，当D>2/3时，∂>1即实现升压功能，且当导通比D接近0.5时升压比可无穷大；而对于传统的电路而言，当D<0.5时∂<1即实现降压功能，当D>0.5时，∂>1即实现升压功能，且当导通比D接近1时升压比才可无穷大。

4.结论

本文将Z源网络应用在传统的DC-DC直流变换器中进行了新的拓扑，得出了基于Z源网络的直流变换器具有传统直流变换器所不具有的优势，相比于纯铜的直流变换器升降压幅度提高，导通比总小于0.5，双环控制中电流内环显然无需斜坡补偿，且主开关的开关导通时间较短，开关截止时间长，有利于散热，拓扑简单，增加器件数量少，成本增加不多。

[1]房绪鹏.Z源直流变换器[J].电气应用,2005,24(2):123.

[2]彭方正.Z源升压变换器[J].电气传动,2006,36(1):28.

[3]王利民.阻抗源直流变流器的研究[D].杭州:浙江大学,2006.

[4]张占松.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,1998.

[5]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].机械工业出版社,2002,l.

[6]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].电子工业出版社,2004,9.

[7]阮新波.AFamilyofThreeleveleonverters.会议报告[D].月合肥工业大学,2006.

[8]Buck三电平直流变换器的研究[D].南京航空航天大学硕士论文,2003,7.