一种三储能电容双输出Z源半桥变换器

摘要

本发明提供一种三储能电容双输出Z源半桥变换器，包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容，第一电感、第二电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管和二极管；以第一电容、第二电容和第一开关管、第二开关管构成第一个常规半桥变换器，以第二电容、第三电容和第二开关管、第三开关管构成第二个常规半桥变换器，以第四电容、第五电容、第一电感、第二电感，构成Z源阻抗，二极管用于阻断Z源阻抗的电流倒流回电源。本发明只用了三个开关管，实现了双路输出。本发明具有高可靠性、宽输出电压范围和丰富的输出交流脉冲波形，特别适用双输出的场合，如电解电镀等电化学电源装置，以及分布式发电等需要多输出的绿色能源场合。

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子变换器技术领域，具体涉及一种三储能电容双输出Z 源半桥变换器。

背景技术

常规的半桥变换器，逆变桥臂直接与直流电压源并联，当逆变桥臂的上、 下开关管因误触发而直通时，会流过非常大的电流而使开关管损毁。而且，这 类半桥逆变器输出交流电压的幅值只有输入电压的一半，属于降压型逆变器， 输出电压的范围比较窄。为了提高输出交流电压的幅值，传统的做法是在逆变 器前级加入升压环节，或在输出端接变压器进行升压。在逆变器前级加入升压 环节的方案中至少需要多用一个开关管，这增加了功率传递中的开关损耗，也 增加了控制的复杂性。在逆变器输出端接变压器虽然可以提高输出电压的幅 值，但是当变压器匝比固定时，输出交流电压的幅值是一定值。

目前，有相应专利提出用Z源半桥变换器来解决上述问题，其电路如图1 所示。随着新能源技术的市场需求，多电路输出的电路已经变得日益迫切。因 此，当需要两路输出的时候，就需要两个Z源半桥变换器。然而，两个Z源半 桥变换器，则需要两个电源，四个储能电容，四个开关管，以及两个Z源阻抗。 除此，相应的控制会增加成本和控制难度，且系统的稳定性也会降低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种双输出Z源半桥变 换器。本发明只需要一个电源，三个开关管，三个储能电容，以及一个Z源阻 抗。比传统的两个Z源半桥变换器，少了一个电源，一个储能电容，一个开关 管和一个Z源阻抗，却能达到传统Z源半桥变换器的输出增益，且具有高可 靠性、宽输出电压范围和丰富的输出交流脉冲波形，特别适用于需要双输出的 新能源电路，以及电解电镀等电化学等电源装置。

本发明通过如下技术方案实现：

一种三储能电容双输出Z源半桥变换器，包括第一电容、第二电容、第三 电容、第四电容、第五电容，第一电感、第二电感，第一开关管、第二开关管、 第三开关管和二极管。一种双输出Z源半桥变换器以第一电容、第二电容和第 一开关管、第二开关管构成第一个常规半桥变换器，以第二电容、第三电容和 第二开关管、第三开关管构成第二个常规半桥变换器，以第四电容、第五电容， 第一电感、第二电感，构成Z源阻抗，二极管用于阻断Z源阻抗的电流倒流 回电源。

所述输入电源的正极、二极管的阳极和第一电容的一端连接于一点，二极 管的阴极、第一电感的一端和第四电容的一端连接于一点，第一电感的另外一 端、第五电容的一端和第一开关管的漏极连接于一点，第一开关管的源极、第 二开关管的漏极和第一负载的一端连接于一点，第二开关管的源极、第三开关 管的漏极和第二负载的一端连接于一点，第三开关管的源极、第二电感的一端 和第四电容的另外一端连接于一点，第一负载的另外一端、第一电容的另外一 端和第二电容的一端连接于一点，第二负载的另外一端、第二电容的另外一端 和第三电容的一端连接于一点，第三电容的另外一端、第二电感的另外一端、 第五电容的另外一端和电源的负极连接于一点。

与现有技术相比本发明具有如下优点：

本发明只需要一个电源，三个储能电容，三个开关管，以及一个Z源阻抗。 比传统的具有两路输出的两个Z源半桥变换器，少了一个电源，一个储能电容， 一个开关管和一个Z源阻抗，却能达到比传统Z源半桥变换器的输出增益， 且具有高可靠性、宽输出电压范围和丰富的输出交流脉冲波形，特别适用于需 要多输出的新能源电路，以及电解电镀等电化学等电源装置。

本发明的变换器可以防止开关管的直通对电路造成的损坏，且开关管直通 时能得到较高的输出增益，克服传统的半桥变换器的输出局限于输入电压的缺 点。

附图说明

图1是目前已有的一种单输出Z源半桥变换器的电路。

图2是本发明所述的一种双输出Z源半桥变换器的实施例的电路图；

图3a、图3b、图3c、图3d、图3e、图3f分别是图2所示电路图在一个 开关周期内的主要工作模态图。

图4为一种双输出Z源半桥变换器的对应主要波形图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施 方式不限于此。

实施案例

如图2所示，一种双输出Z源半桥变换器，包括第一电容C_d1、第二电容 C_d2、第三电容C_d3、第四电容C₁、第五电容C₂，第一电感L₁、第二电感L₂， 第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃和二极管D。一种双输出Z源 半桥变换器以第一电容C_d1、第二电容C_d2和第一开关管S₁、第二开关管S₂构 成第一个常规半桥变换器，以第二电容C_d2、第三电容C_d3和第二开关管S₂、 第三开关管S₃构成第二个常规半桥变换器，以第四电容C₁、第五电容C₂，第 一电感L₁、第二电感L₂，构成Z源阻抗，二极管D用于阻断Z源阻抗的电流 倒流回电源。

所述的一种双输出Z源半桥变换器，所述输入电源V_d的正极、二极管D 的阳极和第一电容C_d1的一端连接于一点，二极管D的阴极、第一电感L₁的 一端和第四电容C₁的一端连接于一点，第一电感L₁的另外一端、第五电容 C₂的一端和第一开关管S₁的漏极连接于一点，第一开关管S₁的源极、第二开 关管S₂的漏极和第一负载R₁的一端连接于一点，第二开关管S₂的源极、第三 开关管S₃的漏极和第二负载R₂的一端连接于一点，第三开关管S₃的源极、第 二电感L₂的一端和第四电容C₁的另外一端连接于一点，第一负载R₁的另外 一端、第一电容C_d1的另外一端和第二电容C_d2的一端连接于一点，第二负载 R₂的另外一端、第二电容C_d2的另外一端和第三电容C_d3的一端连接于一点， 第三电容C_d3的另外一端、第二电感L₂的另外一端、第五电容C₂的另外一端 和电源的负极连接于一点。

如图3a、3b、3c、3d、3e和3f所示，其中图3a是工作模态1的电路图， 图3b是工作模态2的电路图，图3c是工作模态3的电路图，图3d是工作模 态4的电路图，图3e是工作模态5的电路图，图3f是工作模态6的电路图。 图中实线表示变换器中有电流流过的部分，虚线表示变换器中没有电流流过的 部分。参考图4对其对应工作模态进行分析如下。其中第一开关管S₁、第二开 关管S₂和第三开关管S₃三个开关管依次滞后D₁T时间段后开通，每个开关管 的导通时间为D₂T，T为开关管开关周期。以顺时钟方向为电压的正参考方向。

第一电容C_d1的电压为V_Cd1、电流为i_Cd1，第二电容C_d2的电压为V_Cd2、电流 为i_Cd2，第三电容C_d3的电压为V_Cd3、电流为i_Cd3，第四电容C₁的电压为V_C1，第 五电容C₂的电压为V_C1，第一电感L₁的电压为V_L1，第二电感L₂的电压为V_L2， 第一负载的电压为v_O1、电流为i_O1，第二负载的电压为v_O2、电流为i_O2。

工作模态1：

如图4时间段[t₀-t₁]所示，第一开关管S₁、第二开关管S₂和第三开关管S₃ 三个开关管都导通，二极管D关断，此时的等效电路图如图3a所示。Z源阻 抗给第一负载R₁和第二负载R₂提供能量。第一电感L₁电压为： V_L1＝V_C1＝V_L2＝V_C2，第一负载R₁的电压v_O1＝V_Cd1+V_C2-V_d，第二负载R₂的电压 v_O2＝V_C2-V_Cd3。此阶段时间为(D₁+D₂-1)T。

工作模态2：

如图4时间段[t₁-t₂]所示，第二开关管S₂关断，第一开关管S₁和第三开 关管S₃两个开关管都导通，二极管D导通，此时的等效电路图如图4b所示。 电源V_d通过二极管D给Z源阻抗提供能量，同时第一电感L₁给第一负载R₁提供能量，第一电感L₁电流下降。第四电容C₁和第二电感L₂给第二负载R₂传输能量，第二电感L₂电流下降。第一电感L₁电压为：V_L1＝V_d-V_C2，输出电 压v_O1＝V_Cd1+V_C2-V_d，v_O2＝V_d-V_C2-V_Cd3。此阶段时间为(1-D₂)T。

工作模态3：

如图4时间段[t₂-t₃]所示，第一开关管S₁、第二开关管S₂和第三开关管 S₃三个开关管都导通，二极管D关断，此时的等效电路图如图3c所示。此阶 段的原理和工作模态1相同。此阶段时间为(D₁+D₂-1)T。

工作模态4：

如图4时间段[t₃-t₄]所示，第三开关管S₃关断，第一开关管S₁和第二开 关管S₂两个开关管都导通，二极管D导通，此时的等效电路图如图3d所示。 电源V_d通过二极管D给Z源阻抗提供能量，第一电感L₁给第一负载R₁提供 能量，第一电感L₁电流下降。同时第一电感L₁也给第二负载R₂提供能量。 第一电感L₁电压为：V_L1＝V_d-V_C2，输出电压v_O1＝V_Cd1+V_C2-V_d，v_o2＝V_C2-V_Cd3。此 阶段时间为(1-D₂)T。

工作模态5：

如图4时间段[t₄-t₅]所示第一开关管S₁、第二开关管S₂和第三开关管S₃三个开关管都导通，二极管D关断，此时的等效电路图如图3e所示。此阶段 的原理和工作模态1相同。此阶段时间为(D₁+D₂-1)T。

工作模态6：

如图4时间段[t₅-t₆]所示，第一开关管S₁关断，第二开关管S₂和第三开 关管S₃两个开关管都导通，二极管D导通，此时的等效电路图如图3f所示。 电源V_d通过二极管D给Z源阻抗提供能量，同时通过第一电容C_d1和第三电 容C_d3给第一负载R₁和第二负载R₂提供能量，该过程中，第一电感L₁和第 二电感L₂电流下降。第一电感L₁电压为：V_L1＝V_d-V_C2，输出电压v_o1＝V_Cd1-V_C2， v_o2＝V_d-V_C2-V_Cd3。此阶段时间为(1-D₂)T。

综上所描述，在一个开关周期中,根据第一电感L₁的伏-秒数守恒，得 ${\int }_0^T{V}_{L1}\mathrm{dt}=0,$即$3({\int }_0^{(D_2+D_1-1)T}{V}_{C2}\mathrm{dt}+{\int }_{(D_2+D_1-1)T}^{D_{1}T}(V_d-V_{C2})\mathrm{dt})=0,$由此可得到 $V_{C1}=V_{C2}=\frac{1-D_2}{2-(D_1+2D_2)}{V}_d.$

综上，可以得到电感表达式和输出电压表达式为：

同理，根据电容C_d1，C_d2，C_d3的安-秒数守恒，得

$\left(\begin{array}{c}{\int }_0^T{i}_{\mathrm{cd}1}\mathrm{dt}={\int }_0^T(i_{\mathrm{cd}2}-i_{o1})\mathrm{dt}={\int }_0^T{i}_{o1}\mathrm{dt}=0\\ {\int }_0^T{i}_{\mathrm{cd}2}\mathrm{dt}=0\\ {\int }_0^T{i}_{\mathrm{cd}3}\mathrm{dt}={\int }_0^T(i_{\mathrm{cd}2}+i_{o2})\mathrm{dt}={\int }_0^T{i}_{o2}\mathrm{dt}=0\end{array}\right),$综上式子可以得到

$\left(\begin{array}{c}\frac{V_{\mathrm{Cd}1}+V_{C2}-V_d}{R_1}{D}_{2}T+\frac{V_{\mathrm{Cd}1}-V_{C2}}{R_1}(1-D_2)T=0\\ \frac{V_{C2}-V_{\mathrm{Cd}3}}{R_2}(2D_1-1)T+\frac{V_d-V_{C2}-V_{\mathrm{Cd}3}}{R_2}(2-2D_2)T=0\end{array}\right),$综上解方程得到

$\left(\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{Cd}1}=(1-{2D}_2)V_{C2}+V_d{D}_2=\frac{1-D_2-D_1{D}_2}{2-(D_1+2D_2)}{V}_d\\ V_{\mathrm{Cd}3}=V_{C2}({4D}_2-3)+V_d(2-2D_2)=\frac{(1-D_2)(1-2D_1)}{2-(D_1+2D_2)}{V}_d\end{array}\right),$代入输出表达式可以得到

Z源阻抗的存在一方面避免了因开关管直通而遭到损毁，另一方面当开关 管直通时起到升压的作用。通过控制三个开关管的导通占空比，可以分别控制 两路输出的升压和降压，并实现两路输出电压的正负脉冲的对称和不对称。

本发明只需要一个电源，三个开关管，以及一个Z源阻抗。比传统的具有 两路输出的两个Z源半桥变换器，少了一个电源，四个储能电容，一个开关管 和一个Z源阻抗，却能达到传统Z源半桥变换器的输出增益，且能实现具有 高可靠性、宽输出电压范围和丰富的输出交流脉冲波形，特别适用于双输出的 新能源电源装置以及电解电镀等电化学电源装置。

本发明的变换器可以防止开关管的直通，且开关管直通时能得到较高的输 出增益，克服传统半桥变换器输出局限于输入电压的缺点。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。