图1 井下蓄电池机车供电结构
房绪鹏， 马伯龙， 董召龙， 郭久红， 高冠中
(山东科技大学 电气与自动化工程学院， 山东 青岛 266590)
摘要：针对传统升压变换器存在升压能力有限、电容电压应力大等问题，提出了一种采用2个准Z源网络级联的升压型DC-DC变换器，分析了该变换器的工作原理，推导了该变换器升压比、电容电压应力的表达式。与传统Z源升压变换器相比，该变换器可在占空比小的情况下实现更大的升压比，且在升压比相同的情况下具有更小的电容电压应力。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。
关键词：DC-DC变换器； 升压变换器； 准Z源网络； 级联； 升压比； 电容电压应力
蓄电池机车是煤矿井下的主要动力设备[1]，具有自备电源，且无架线复杂的供电系统，具有适应性强、机动性能好、成本低等优点，特别适合于井下人员、物料运输。蓄电池机车一般由车载高压蓄电池供电，电源经逆变电路、高频变压电路和整流电路降压后，可为机车上的照明装置、电笛、通信装置、检测保护装置、控制装置等低压用电设备供电[2]。当机车停电或发生故障时，低压用电设备也会断电，给井下生产造成不便。为避免该情况，在蓄电池机车中加入低压备用电源给低压用电设备单独供电，如图1所示。低压备用电源经DC-DC变换器升压后，可直接给机车低压直流设备供电，也可经逆变电路变换成交流电给机车低压交流设备供电。
Boost变换器是最常用的DC-DC变换器拓扑结构，但其输出电压有限，当开关管占空比非常接近1时，Boost变换器才能达到较大的升压比[3]。鉴于
图1 井下蓄电池机车供电结构
Boost变换器的缺点，文献[4-6]提出了Z源升压变换器，该变换器用一个特殊的Z源网络将输入电源和负载进行耦合，通过控制主开关管占空比实现升压，在占空比小于0.5的情况下就可达到升压效果，但电容电压应力较大。文献[7]在Z源网络结构的基础上提出了准Z源网络结构，减小了Z源升压变换器中电容电压应力，但升压能力依然有限[8-9]。本文提出了一种准Z源升压型DC-DC变换器，该变换器在输入端将2个准Z源网络进行级联，可进一步提高升压能力，降低电容电压应力。
准Z源升压型DC-DC变换器将传统Boost变换器的输入电感用准Z源级联网络代替[10]，并将级联网络中的二极管替换成双向导通的开关管，其拓扑结构如图2所示，其中虚线框内为准Z源级联网络，由3个相同电感(L1，L2，L3)和4个相同电容(C1，C2，C3，C4)组成，开关管S1，S2，S3采用IGBT[11]。直流电源电压Ui经级联网络升压后给负载R供电，其中滤波电容Cf可减小输出电压U0纹波，辅助开关管S2和S3可使电感L2和L3中的电流反向流动，这样可在主开关管S1导通前将其寄生电容上的多余电荷抽走，使得S1漏源极两端电压为0。
图2 准Z源升压型DC-DC变换器拓扑结构
由于L1=L2=L3，C1=C2=C3=C4，准Z源级联网络具有对称性，根据电路的等效性和对称性可得[12-13]
(1)
式中：UL1—UL3分别为电感L1—L3两端电压；UC1—UC4分别为电容C1—C4两端电压。
准Z源升压型DC-DC变换器用互补的PWM脉冲作为控制信号，S2和S3同步导通和关断，1个开关周期内S2(S3)和S1互补导通。在1个开关周期内根据电流方向不同，变换器有4种工作状态，如图3所示。
(a) 工作状态1
(b) 工作状态2
(c) 工作状态3
(d) 工作状态4
图3 准Z源升压型DC-DC变换器等效电路
工作状态1：S2和S3同时关断，S1导通，电源和准Z源级联网络中电容C1—C4向电感L1—L3充电，使电感中电流上升，L2和L3两端电压均大于0，等效电路如图3(a)所示。S2和S3各自反并联的二极管均承受反向电压而截止。根据基尔霍夫电压定律可得
(2)
工作状态2：S2和S3同时导通，S1关断，准Z源级联网络中电感L1—L3放电，电感电流降低，L2和L3两端电压小于0，此时电源和L1—L3同时向电容C1—C4充电及给负载供电，等效电路如图3(b)所示。根据基尔霍夫电压定律可得
(3)
工作状态3：L2和L3电流降至0后，S1不动作，S2和S3继续导通很短的一段时间，L2和L3电流分别由C2和C4提供，且反向增大，等效电路如图3(c)所示。各电压关系如式(3)所示。
工作状态4：L2和L3反向充电一段时间后，S2和S3同时关断，L2和L3电流方向不变，等效电路如图3(d)所示。各电压关系如式(2)所示。当S1两端电压降至0时，S1进入下一个循环周期的工作状态1。
设在1个开关周期T内，S1占空比为D，则S1导通时间为DT，S1关断时间为(1-D)T。电感L1—L3在1个开关周期内伏秒平衡[14-15]，则
(4)
由式(4)可得
(5)
将式(5)代入式(3)，得升压比为
(6)
从升压比和电容电压应力2个方面对准Z源升压型DC-DC变换器和传统Z源升压变换器进行比较。根据准Z源升压型DC-DC变换器和传统Z源升压变换器的升压比、电容电压应力公式[5]，利用Matlab/Figure绘制2种变换器的升压比及电容电压应力(Uc/Ui，Uc为电容电压)曲线，分别如图4、图5所示。
图4 2种变换器升压比曲线
图5 2种变换器电容电压应力曲线
从图4可看出，在占空比相同的情况下，准Z源升压型DC-DC变换器的升压能力大于传统Z源升压变换器，满足在占空比小的条件下实现大升压比的需求；当升压比相同时，准Z源升压型DC-DC变换器的开关管导通时间小，有利于开关管散热，延长开关管使用寿命。从图5可看出，在升压比相同的情况下，准Z源升压型DC-DC变换器的电容电压应力小于传统Z源升压变换器，可减小电容的体积与成本。
为验证理论分析的正确性，根据图2在Matlab/Simulink环境下搭建仿真电路，并在实验室搭建小功率硬件电路，在电流连续工作模式下进行开环仿真和实验。
仿真参数：L1=L2=L3=150 μH，C1=C2=C3=C4=400 μF，Cf=800 μF，R=30 Ω，开关管频率为20 kHz，D=0.25。当Ui=12 V时，输出电压、电容电压的仿真波形分别如图6、图7所示。此时由式(5)、式(6)可计算出输出电压、电容电压的理论值分别为48,12 V。
图6 输出电压仿真波形
图7 电容电压仿真波形
实验参数与仿真参数一致。开关管选用SGH80N60UF型IGBT，通过TMS320F2812开发板产生互补的控制信号，控制开关管的导通、关断来实现升压功能。当Ui=9 V时，输出电压、电容电压的实验波形分别如图8、图9所示。此时由式(5)、式(6)可计算出输出电压、电容电压的理论值分别为36, 9 V。
图8 输出电压实验波形
图9 电容电压实验波形
从图6—图9可看出，输出电压和电容电压的仿真值与理论值一致，而实验值与理论值存在一定误差，这是由于实验过程中电路元器件自身存在压降，但误差在合理范围内，验证了理论分析的正确性。
将2个准Z源网络级联并引入Boost变换器中，构成了准Z源升压型DC-DC变换器，介绍了该变换器的拓扑结构和工作原理；从升压比和电容电压应力2个方面对准Z源升压型DC-DC变换器和
传统Z源升压变换器进行了比较，准Z源升压型DC-DC变压器可在开关管占空比小的情况下实现更大的升压比，且具有更小的电容电压应力。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。
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A quasi-Z-source boost DC-DC converter
FANG Xupeng, MA Bolong, DONG Zhaolong, GUO Jiuhong, GAO Guanzhong
(College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)
Abstract：For problems of traditional boost converter including limited boost ability and high capacitor voltage stress, a boost DC-DC converter was proposed which used two quasi-Z-source networks in cascade. Working process of the converter was analyzed, and expressions of step-up ratio and capacitor voltage stress were derived. Compared with traditional Z-source boost converter, the quasi-Z-source converter can realize larger step-up ratio with small duty cycle, and has lower capacitor voltage stress under the same step-up ratio. The simulation and experimental results verify validity of the theoretical analysis.
Key words：DC-DC converter; boost converter; quasi-Z-source; cascade; step-up ratio; capacitor voltage stress
文章编号：1671-251X(2017)04-0068-04
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2017.04.016
收稿日期：2016-12-10；
修回日期：2017-03-10；责任编辑：盛男。
基金项目：山东省自然科学基金资助项目(ZR2009FM017)；中国博士后科学基金资助项目(20090461254)；山东科技大学研究生教育创新计划资助项目(2014BK023)。
作者简介：房绪鹏(1971-)，男，山东汶上人，副教授，博士，主要研究方向为阻抗源变流器及其应用、现代电力电子技术在电气传动和新兴能源利用方面的应用，E-mail:xpfang69@163.com。
中图分类号：TD611
文献标志码：A
网络出版：时间：2017-03-28 17:33
网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20170328.1733.016.html
房绪鹏，马伯龙，董召龙，等.一种准Z源升压型DC-DC变换器[J].工矿自动化，2017,43(4)：68-71.