刘胜杰，吴苓芝

（青岛理工大学 自动化工程学院，山东 青岛 266520）

随着科学技术的高速发展，开关电源由于具有低成本、小型化、高效率、高可靠性和稳压范围宽等优点，在自动控制、航空航天及新能源等众多领域得到了广泛使用。传统的拓扑结构是Buck型或Boost型电路结构，虽然它们发展了多年，且控制技术也己经非常成熟，但是却摆脱不了只能是单一结构这一固有缺点，从而使得传统的电路拓扑结构在一些复杂的应用场合受到了挑战[1]。为了克服上述理论缺陷，参考文献[1]提出了一种新型的拓扑—Z-源网络，为功率变换提供了一种新的思路和理论。与常规的拓扑结构相比，Z-源拓扑无需前级的boost或者 buck电路，增加了一个包含电感 L1、L2和电容器 C1、C2的Z-源网络。Z-源拓扑由于采用了独特的 X型 Z-源网络电路而获得了升/降压、安全性能高、效率高（单级电路）等特点。Z-源网络的加入对系统的动态性能有一定的影响，在开关电源的实际应用场合，体积、重量、动态响应和对负载的适应性都是至关重要的因素。针对Z-源拓扑的一些不足，参考文献[1]在常规Z-源拓扑的基础上又提出了一种新型结构——准Z-源拓扑。准Z-源拓扑和Z-源拓扑的基本原理大致相同。理论上来说，对于Z-源拓扑的各种控制方法和应用都可以推广到准Z-源拓扑上来。准Z-源拓扑作为一种全新的电力电子拓扑和理论，是对传统意义上DC-DC拓扑的一个突破，是变流器研究的一个创新。

本文是在准Z-源逆变器的结构上提出的，研究了这种拓扑结构在DC-DC方面的应用，并通过搭建实验样机来进行了验证。这种准Z-源拓扑电路无须调整，加电即可工作，可以提供更宽的输出电压范围，输出电压质量高、结构简单、性能稳定、反应灵敏且调压精度高。

1 准Z-源变流器的结构和工作原理

1.1 准Z-源变流器的原理图

准Z-源变流器由独特的X型Z-源网络构成，其主电路如图1所示。其中的Z-源网络由两个相同的电感L1、L2和相同的电容 C1、C2构成， 准 Z-源拓扑通过开关管的导通和闭合实现电压的改变，这为主电路根据需要升压或降压提供了一种新的机理。

图1 准Z-源变流器的原理图

1.2 准Z-源变流器的等效电路

为了便于分析，假设准Z-源网络为对称网络，即L1=L2，C1=C2。当准Z-源网络工作在开关管导通状态时，电容放电供给负载，电源和电容同时为电感充电，续流二极管承受反向电压而截止，其等效电路如图2（a）所示。当准-Z源网络工作在开关管关断状态时，电感放电，电源和电感同时为负载和电容供电，续流二极管正向导通，其等效电路如图 2（b）所示，负载可以根据升降压的需要，并联在C1或C2两端。图2所示的电路表示了只加一种负载的情况。

图2 准Z-源变流器的等效电路图

1.3 准Z-源变流器占空比的推导

假定在一个开关周期T中，开关管导通状态区间为T0，而开关管关断状态区间为 T1，则有 T=T0+T1，导通状态的占空比为D=T0/T

当开关管处于导通状态T0期间，由基尔霍夫电压定律和图 2（a）可以得到电感 L1、L2在此状态下的电压：

其中，Vin为 Z-源网络电源电压，VL1、VL2为在导通状态下Z-源网络电感的电压，VC1、VC2为在导通状态下Z-源网络电容的电压。

当开关管处于关断状态T1期间，由基尔霍夫电压定律和图 2（b）可以得到电感 L1、L2在此状态下的电压：

其中，Vin为 Z-源网络电源电压，VL1、VL2为在关断状态下Z-源网络电感的电压，VC1、VC2为在关断状态下Z-源网络电容的电压。

在稳态工作状态下，开关电源的电感在一个周期中平均电压为 0[2]，由式（1）、（2）可得：

由式（3）、（4）进一步推导可得：

式（5）、（6）的分子分母同时除以周期 T可得：

其中，Vout1、Vout2为并联在 C1、C2两端负载的电压。

2 准Z-源变流器主电路设计

2.1 实验样机主电路原理图

准-Z源变流器主电路原理图如图3所示。

图3 准-Z源变流器主电路原理图

主电路是准Z-源变流器电源能量的转换电路，实现了从输入电源侧到最终负载侧上直流电压的形式的变换[2]。为了更加灵活地与控制电路、辅助电路相连接，设计主电路时留了很多端口。这些端口的功能是：P1、P8为电压测量端口或负载接入端口；P2为电压源侧输出电流测量端口；P3、P5为负载电流测量端口；P4为电源电压输入端口，可以接直流稳压源或经交流电整流滤波后的直流电压源；P6为占空比可调的PWM波输入端口；P7为功率MOSFET管源漏极波形测量端口；P9为光耦输出波形测量端口；P10为给光耦提供直流电压源。R1和C3并联在功率开关管两端构成RC箝位吸收电路对其进行保护，R2和R3都为保护电阻。

2.2 电感参数的设计

准Z-源网络的电感在开关管导通状态中储能，而在开关管关断状态中释放电能。如果准Z-源网络电感的电感量太小，储能不够，就会出现关断状态下的断续电流模式，使得准Z-源变流器从原有的连续状态进入断续状态，增加了系统控制的复杂度，而且这种断续电流模式也使输出电压产生畸变，从而影响到输出电压的质量。考虑到准Z-源网络的电感是直流电感，因此在设计时对直流电感上的电流纹波加以控制也是必要的。因此，从可靠、安全和抑制Z-源网络电感电流纹波等因素考虑，应选择足够大的电感。但是，从工程设计的角度出发，电感的增大会导致损耗、体积和重量的增加[3]。因此，设计Z-源网络电感的原则为在满足运行特性及稳定性的基础上尽量减小Z-源电感的取值。

电感值越大，纹波电流越小，线路的损耗就会减小，但电感损耗和体积都会增大。通常电感上的纹波电流选择为额定电流的15%～25%，本文取值为20%。根据电感电流纹波设计的电感值的计算公式有：

其中，D为占空比，f为频率，IAVG为稳态下电感电流的平均值。

开关管的工作频率 f=20 kHz，占空比 D=0.2，IAVG=1.59 A，r=0.2，以准 Z-源网络的降压情况 VL=8 V为例，根据以上公式可得 L1=L2=251.12 μH。

2.3 电容参数的设计

准Z-源网络电容的作用主要是吸收电流纹波和平滑电压。选取时应该在满足耐压和电压纹波的同时，选取耐温升、ESR小的电容。电容值不能太小，否则需要更大的电感来满足衰减的需要[3]。电容C可以通过下式计算：

当准Z-源变流器工作在通路状态时，IC=IL；工作在开关管关断状态时，IC=IIN-IL。假设准Z-源网络的电感较大，电感上的电流纹波较小，且在系统开关频率足够高时，电感电流可近似认为恒定为IAVG。如果采用简单控制，准Z-源网络中的电容电压的高次谐波的脉动的频率为开关频率的2倍，即Δt=，可得：

由式（13）和实验室现有元件，可取容量为 470 μF、耐压为50 V的铝电解电容，得出纹波电压r为16.91 mV，满足铝电解电容纹波电压一般在10 mV～100 mV之间的要求。

3 仿真及实验结果分析

首先使用Saber软件仿真所提出的准Z-源变流器，然后通过具体的实验样机实现这一拓扑，以进一步验证它的正确性。

3.1 准Z-源变流器的仿真

根据准Z-源拓扑结构构建仿真电路，假设电源电压为 24 V，电感 L1=L2=250 μH，电容 C1=C2=470 μF，开关管的工作频率 f=20 kHz，占空比 D=0.2，并联在 C1和C2两端的负载R1=10 Ω，R2=50 Ω。仿真电路如图4所示。

图4 准Z-源变流器的仿真电路

图5(d)所示为占空比可调的PWM波，控制MOSFET管的导通与关断。通过改变图4中constant值可以得到电路所需的占空比，进行不同情况的转换。由式（7）、（8）计算可得输出电压的理论值，降压达到8 V时其仿真结果如图5（a）所示，升压达到 32 V其仿真结果如图 5（b）所示。

图5 准Z-源变流器的电压仿真分析波形

3.2 准Z-源变流器的实验样机

控制器是电源控制电路的核心，本文选用MSP430作为控制器。MSP430系列微处理器是美国德州仪器生产的一种16 bit超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器。它将多个功能不同的模拟电路模块、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上以满足不同的需要。其主要特点有：（1）超低功耗，电源电压采用1.8～3.6 V低电压，在活动模式时耗电 250 μA/MIPS，内设低电压监测电路可以关闭暂时不使用的内部功能模块。（2）丰富的片上外围模块，看门狗（WDT）定时器，模拟比较器 A，定时器 A（Timer_A3带 3个捕获/比较寄存器和 PWM输出的 16 bit定时器），定时器 B（Timer_B7带7个捕获/比较寄存器和PWM输出的 16 bit定时器），定时器内部电路如图6所示。

图6 MSP430定时器内部结构图

由于MSP430的超低功耗和强大的数据处理能力，可以有效地消除电路引起的误差，抑制干扰信号，提高输出电压的质量，控制电流的精度，在同类产品中有较高的性价比，因此本设计选用它作为控制器[4]。

在前面理论分析的基础上，设计了一台功率为50 W的实验样机，电源电压24 V由直流稳压源供给，光耦为TLP250驱动开关管，功率 MOSFET管为 IRF540N，二极管为SR520，其他采用仿真时的参数。

表1 实验样机采集的数据

本文提出的准Z-源DC-DC变流器与传统的Buck型或Boost型 DC-DC变流器相比具有两大优点：（1）可以在相同占空比时提供比Boost型拓扑更高的输出电压，同时能得到比Buck电路更低的输出电压；（2）准Z-源网络由于采用独特的X型Z-源网络，把Buck型或Boost型电路得特点集成到一起，电路设计硬件简单，性能稳定。在保证高精度的前提下成本低、效率高，能够很好的稳定工作，可以适应一些的特殊需要，具有较好的推广应用价值。

[1]ANDERSON J，PengFangzheng.FourQuasi-Z-source inverters[C].IEEE Power Electronics Specialists Conference，PESC′08， 2008：2743-2749.

[2]MANIKTALA S.精通开关电源设计[M].王志强，等，译.北京：人民邮电出版社，2008.

[3]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计（修订版）[M].北京：电子工业出版社，2004.

[4]何希才.新型开关电源设计与应用（第一版）[M].北京：北京科学出版社，2001：19-34.