一种准Z-源DC-DC变流器的研究

　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。

　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：



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。

　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。
　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。
参考文献
[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.