改进型准Z源DC-DC变换器在电动汽车上的应用＊

房绪鹏 马伯龙 于志学 秦明

（山东科技大学，青岛 266590）

改进型准Z源DC-DC变换器在电动汽车上的应用＊

房绪鹏 马伯龙 于志学 秦明

（山东科技大学，青岛 266590）

为了改进电动汽车供电系统的DC-DC变换电路，以及克服传统Z源拓扑结构电压增益小、启动冲击严重、输入电流断续等问题，提出了一种改进型准Z源DC-DC变换器。分析了该变换器电路的拓扑结构、工作原理，推导出了变换器的电压增益。与传统Z源相比，在相同占空比情况下，改进型变换器具有更大的电压增益及输入电流连续等特点。根据拓扑结构搭建了仿真模型和试验样机，对改进型变换器进行了稳态分析，验证了该变换器的可靠性和可行性。

1 前言

光伏电动汽车以其清洁、高效、可持续发展的特点成为众多学者研究的热点，而对于光伏电动汽车的重要设备DC-DC升压变换器的研究也成为新潮流[1]。传统的DC-DC变换器以Buck和Boost两种基本电路为基础，当开关管占空比接近1时，Boost变换器的电压增益才足够大，这会导致电动汽车的供电系统在控制、发热、效率等方面的缺陷[2]。为了克服这些不足，王利民等人[2]提出了一种Z源升压变换器电路结构，其采用的X型Z源网络具有可升/降压、安全性能高、效率高（单级电路）等优点，但电压增益依然有限，且存在电容器电压应力较大、启动电流大等缺陷；Anderson J等人[3]提出了一种准Z源变换器电路结构，优化了Z源储能网络，使储能网络中的一个电容的电压应力大大减小，但是电压增益依然有限；侯世英等人[4]提出在传统Z源电路结构的基础上增加1个有源开关及电感，结合传统Z源网络中的输入二极管在前级构成一个等效Boost电路，以提高电路的电压增益，同时由于电感的加入抑制了启动冲击电流，并且保证了输入电流的连续性。

为了进一步提升电压增益，本文在传统Z源变换器的基础上，并结合文献[3]和文献[4]中变换器的优点，提出了一种改进型准Z源DC-DC变换器，并根据电路结构搭建了仿真模型和试验样机，对该变换器进行了仿真与试验验证。

2 电动汽车供电系统

光伏电动汽车的供电系统由太阳能板、DC-DC变换器、蓄电池、逆变器、直流负载、电动机等组成，如图1所示。在有光照时，汽车顶部的太阳能板吸收太阳光并将光能转换成电能，然后经DC-DC变换器升压变换后，一部分能量直接供汽车的直流负载设备，另一部分能量经过逆变器转换为交流电为电动机和其它交流负载设备供电，并将多余的直流电储存在蓄电池中。在阴雨天或夜晚，蓄电池经DC-DC变换器向电动汽车反向供电[5,6]。

3 改进型准Z源DC-DC变换器的电路结构

改进型准Z源DC-DC变换器电路结构如图2所示。图2中，输入电源、开关管S2、二极管D、电感L3、电容器C3、滤波电感Lf、滤波电容Cf、负载R组成近似Boost电路，与后级准Z源网络级联，从而提高升压增益，其中准Z源网络由电感（L1、L2）、电容器（C1、C2）、开关管S3组成，如图2虚线框部分所示。变换器的辅助开关管S2、S3与主开关管S1是全控型电子电力开关器件（IGBT）。由于前级电路中的电感L3能够使输入电流连续，可以避免启动时的冲击电流，所以该电路结构具有延展型[7]。

4 改进型准Z源DC-DC变换器工作原理

忽略改进型准Z源DC-DC变换器中各元器件的自身压降，设电路工作在电感电流连续的理想状态，其工作原理分析如下。

改进型准Z源DC-DC变换器的控制信号采用互补的PWM脉冲，辅助开关管S2、S3控制信号相同且在一个开关周期T内与主开关管S1严格互补导通,控制时序如图3所示。

变换器在不同的占空比D下通过电感和电容器储能的多少来控制输出电压的大小。根据一个周期内全控型电子电力开关器件的导通和关断，改进型准Z源DC-DC变换器分为两种工作状态。为了使准Z源网络具有对称性，设置电容器C1与C2的电容量均为C；电感L1与L2的电感量均为L，由电路的对称性和等效性可知：

b.工作状态2：如图5所示，S1关断，S2、S3导通，此时输入电源和电感L3既给电容器C3充电，也通过准Z源网络给滤波电感Lf和负载R供电，准Z源网络的电感L1、L2给电容器C1、C2充电，根据基尔霍夫电压定律可得：

令一个周期（工作状态1和工作状态2）的时间为T，S1开通时间的占空比为D，则S1的开通时间为t1=DT，S1关断时间为t2=（1-D）T,由于S2、S3和S1互补，所以S2、S3关断时间为DT,导通时间为（1-D）T[8]，根据稳态电感电磁通守恒定律,改进型准Z源DC-DC变换器的电感L1、L3、Lf在一个周期内伏秒平衡[9]，则

解方程组（4）可得：

式中，B为电压增益。

由式（7）可知，当占空比0＜D＜0.5时,改进型准Z源DC-DC变换器比传统Z源DC-DC变换器在占空比D较小的情况下更容易实现升压功能[10]。

由文献[2]可知，传统Z源DC-DC变换器的增益公式为：

根据式（7）和式（8），利用MATLAB/Figure软件绘制出传统型和改进型两种变换器电压增益B与占空比D之间的关系，如图6所示。

由图6可看出，当占空比0＜D＜0.5时，在同一占空比下，改进型准Z源DC-DC变换器的电压增益大于传统Z源变换器的电压增益，理论上可实现任意倍数升压功能，这样改进型准Z源DC-DC变换器在获得较高的电压时，功率开关管在一个周期内导通时间较短，有利于功率开关管的散热，提高系统的工作效率和稳定性[11]。

5 仿真验证

为验证改进型准Z源DC-DC变换器具有高电压增益、输入电流连续的优点，对该变换器在开环方式下的运行状态进行仿真分析。根据改进型准Z源DC-DC变换器电路结构，在MATLAB/Simulink环境下搭建仿真电路，仿真参数如表1所列，仿真波形如图7所示。

表1 仿真参数

根据式（7）可得，当Ui=12 V，D=0.24时，改进型准Z源DC-DC变换器的输出电压理论值为23.08 V。由图7可看出，在输入电压为12 V、占空比为0.24时，改进型准Z源DC-DC变换器的输出电压为22.70 V，仿真结果与理论分析结果较一致。由此表明，改进型准Z源DCDC变换器具有较大的电压增益；另外，主开关管S1的电压值在IGBT的耐压范围之内，可以安全地正常工作；输入电流连续，能够抑制对输入电源的冲击。

6 试验验证

为了进一步验证改进型准Z源DC-DC变换器电路理论分析的正确性，在实验室搭建了小功率的试验样机，样机的元器件参数与仿真参数相同。控制部分采用TMS320F2812芯片输出3路PWM信号波形，全控型电子电力开关器件IGBT为H20R1203 HFL552型，其允许的最大电流为20 A，允许最大电压为1 200 V，驱动电路采用落木源KA962D驱动板。当输入电压Ui=12 V,占空比D=0.24时，在电感电流连续工作模式下进行开环试验，利用示波器测得改进型准Z源DC-DC变换器的输出电压、主开关管电压、输入电流的波形如图8所示。

从图8可看出，所测得的输出电压为22.3 V,考虑器件本身的压降等因素，试验的输出电压接近理论值23.08 V；主开关的峰值电压均小于40 V,在IGBT的耐压范围内；输入电流连续，升压效果明显，可实现光伏电动汽车的直流升压功能，进一步验证了理论分析和仿真的正确性。

7 结束语

在传统准Z源电路结构的基础上，本文提出了一种改进型准Z源DC-DC变换器，与传统Z源变换器相比，该变换器具有电压增益大、输入电流连续、启动冲击电流小等特点。该变换器可以在占空比较小的条件下实现较高的电压增益，这样在一个周期内导通时间较短，减少了开关管的损耗，有利于开关管的散热，提高系统的工作效率。

1 汪妍冰,雷勇,李媛,等.基于准Z源的多电平光伏并网控制系统研究.高压电器.2016(6)：124～129.

2 王利民,钱照明,彭方正.Z源升压变换器.电气传动,2006, 36(1)：28～30.

3 Anderson J,Peng F Z.Four Quasi-Z-Source Inverters，Pow⁃er Electronics Specialists Conference.Greece：IEEE,2008：2743～2749.

4 侯世英,黄哲,肖旭,等.改进型Z源并网逆变器.电机与控制学报,2012,16(12)：47～53.

5 王丰,炒敏,李晶，等.双向DC-DC变换器在汽车双电压系统中的应用研究.中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会，杭州，2008.

6 房绪鹏,庄见伟,李辉,等.一种车用双电源系统中新型双向DC-DC变流器研究.汽车技术,2016(7)：12～16

7 徐聪,程启明,李明,等.Z源逆变器及其多种改进拓扑结构的比较.电网技术,2014,38(10)：2926～2931.

8 房绪鹏,马伯龙,董召龙,等.一种准Z源升压型DC-DC变换器.工矿自动化,2017,43(4)：68～71.

9 房绪鹏,庄见伟,李辉,等.新型电流型双向功率流准Z源直流变换器.电气传动,2017,47(1)：32～35.

10 王树文,单硕硕,张洋,等.改进型准Z源逆变器.电力自动化设备,2016,36(9)：142～150.

11 周翔,许建平,陈长勇.高升压增益软开关DC-DC变换器.电工技术学报，2016,31(14)：156～164.

（责任编辑 文 楫）

修改稿收到日期为2016年12月5日。

Application of Improved Quasi-Z-Source DC-DC Converter in Electric Vehicle

Fang Xupeng,Ma Bolong,Yu Zhixue,Qin Ming
（Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590）

To improve the DC-DC converter of the electrical power supply system of electric vehicle,and overcome the shortcomings of traditional Z-source topological structure such as low voltage gain,serious start-up shock and discontinuous input current,an improved quasi Z-source DC-DC converter was proposed.The topological structure and its working principle were analyzed,and voltage gain of the converter was derived.Compared with the traditional Z-source,the improved converter has advantages of higher voltage gain and continuous input current.Simulation model and test prototype were built according to the topological structure,and steady analysis was made,proving reliability and feasibility of the converter.

Electric vehicle,DC-DC converter,Quasi-Z-source,Improvement

电动汽车 DC-DC变换器 准Z源 改进

U469.72+1

A

1000-3703（2017）07-0059-04

山东省自然科学基金资助项目（ZR2009FM017）、山东科技大学研究生科技创新基金项目（YC140337）。