一种非对称型双输出Z源半桥变换器

摘要

本发明提供一种非对称型双输出Z源半桥变换器，包括直流电源、二极管，第一电容、第二电容，第一电感、第二电感，第一开关管、第二开关管、第三开关管、第一负载和第二负载。第一电感、第二电感、第一电容和第二电容组成Z源阻抗，Z源阻抗的存在一方面避免了因开关管直通而引起的损毁，另一方面当开关管直通时还起到升压的作用。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。本发明只用了三个开关管，且在电源侧不需要并联任何电容，能够实现双路输出。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，特别适用于双输出的电解电镀等电化学电源装置。

权利要求

1.一种非对称型双输出Z源半桥变换器，其特征在于，包括直流电源（Vd）, 二极管

（D）、第一电容（C1）、第二电容（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）、第一负载（R1）和第二负载（R2）；第一电感（L1）、第二电感（L2）、第一电容（C1）和第二电容（C2）组成Z源阻抗，Z源阻抗的一端口并联在直流电源和二极管串联而成的输入端，Z源阻抗的另外一端口并联在第一开关管（S1）、第二开关管（S2）、第三开关管（S3）串联而成的桥臂两端，第一负载（R1）连接在第一开关管（S1）与第二开关管（S2）的连接点和第一电容（C1）的一端之间，第二负载（R2）连接在第二开关管与第三开关管（S3）的连接点和第二电容（C2）一端之间；

所述直流电源（Vd）的正极与二极管（D）的阳极相连接，二极管（D）的阴极、第一电感（L1）的一端和第一电容（C1）的一端连接于一点，第一电感（L1）的另外一端、第二电容（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，第一负载（R1）的另外一端、第二电感（L2）的一端和第一电容（C1）的另外一端连接于一点，第二负载（R2）的另外一端、第二电感（L2）的另外一端、第二电容（C2）的另外一端和电源的负极连接于一点。

说明书

一种非对称型双输出Z源半桥变换器

技术领域

[0001] 本发明涉及电力电子变换器技术领域，具体涉及一种非对称型双输出Z源半桥变换器。

背景技术

[0002] 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。

[0003] 目前，有相关专利提出使用Z源半桥变换器来解决上述问题，但是当需要两路输出的时候，就需要两个Z源半桥变换器。而两个Z源半桥变换器，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，降低系统的稳定性。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种非对称型双输出Z源半桥变换器。本发明只需要一个电源，三个开关管，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，四个储能电容，一个开关管和一个Z源阻抗，却能达到比传统Z源半桥变换器高的输出增益，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，特别适用于双输出的电解电镀等电化学电源装置。

[0005] 本发明通过如下技术方案实现：

[0006] 一种非对称型双输出Z源半桥变换器，包括直流电源、二极管，第一电容、第二电容、第一电感、第二电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第一负载和第二负载。本发明所述一种非对称型双输出Z源半桥变换器，Z源阻抗的一端口并联在直流电源和二极管串联而成的输入端，Z源阻抗另外一端口并联在三个开关管串联而成的桥臂两端，且第一负载连接在第一开关管与第二开关管的连接点和第一电容的一端之间，第二负载连接在第二开关管与第三开关管的连接点和第二电容一端之间。所述Z源阻抗，是由第一电感、第二电感、第一电容和第二电容组成。

[0007] 上述的一种非对称型双输出Z源半桥变换器中，所述输入电源的正极与二极管的阳极相连接，二极管的阴极、第一电感的一端和第一电容的一端连接于一点，第一电感的另外一端、第二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，第一负载的另外一端、第二电感的一端和第一电容的另外一端连接于一点，第二负载的另外一端、第二电感的另外一端、第二电容的另外一端和电源的负极连接于一点。

[0008] 与现有技术相比本发明具有如下优点：

[0009] 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，却能达到比传统Z源半桥变换器高的输出增益，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，特别适用于双输出的电解电镀等电化学电源装置。

[0010] 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，克服传统半桥变换器输出局限于输入电压的缺点。

附图说明

[0011] 图1是本发明所述的一种非对称型双输出Z源半桥变换器的实施例的电路图；

[0012] 图2a、图2b、图2c、图2d、图2e、图2f分别是图1所示电路图在一个开关周期内的主要工作模态图。

[0013] 图3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

[0014] 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。

[0015] 实施案例

[0016] 如图1所示，一种非对称型双输出Z源半桥变换器，其特征在于，包括直流电源Vd、二极管D，第一电容C1、第二电容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、第一负载R1和第二负载R2。本发明所述一种非对称型双输出Z源半桥变换器，Z源阻抗的一端口并联在直流电源和二极管串联而成的输入端，其另外一端口并联在三个开关管串联而成的桥臂两端，且第一开关管S1与第二开关管S2的连接点和第一电容C1的一端连接着第一负载R1，第二开关管与第三开关管S3的连接点和的第二电容C2一端连接着第二负载R2；

[0017] 所述Z源阻抗，是由第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1和第二电容C2组成；

[0018] 一种非对称型双输出Z源半桥变换器，其特征在于，所述输入电源Vd的正极与二极管D的阳极相连接，二极管D的阴极、第一电感L1的一端和第一电容C1的一端连接于一点，第一电感L1的另外一端、第二电容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，第一负载R1的另外一端、第二电感L2的一端和第一电容C1的另外一端连接于一点，第二负载R2的另外一端、第二电感L2的另外一端、第二电容C2的另外一端和电源的负极连接于一点。

[0019] 如图2a、2b、2c、2d、2e和2f所示，其中图2a是工作模态1的电路图，图2b是工作模态2的电路图，图2c是工作模态3的电路图，图2d是工作模态4的电路图，图2e是工作模态5的电路图，图2f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3对其对应工作模态分析如下。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，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。

[0020] 第一电容C1的电压为VC1，第二电容C2的电压为VC1，第一电感L1的电压为VL1，第二电感L2的电压为VL2，第一负载的电压为vo1，第二负载的电压为vo2。

[0021] 工作模态1：

[0022] 如图3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2a所示。此时第一电容C1为第一电感L1充电，第一电感L1电流直线上升，第一负载R1被第二开关管S2和第三开关管S3导通而短路，输出电压Vo1为0。同时，第二电容C2分别为第二电感L2与第二负载R2传输能量，电感L2电流直线上升。第一电感L1电压为：VL1＝VC1＝VL2＝VC2，输出电压vo1＝0，vo2＝VC2＝VL2。此阶段时间为(D1+D2-1)T。

[0023] 工作模态2：

[0024] 如图3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2b所示。电源Vd通过二极管D给电容第一电容C1、第二电容C2、第一电感L1和第二电感L2充电，同时电容C1与电感L1一起给第一负载R1提供能量，L1电感电流下降。第二电感L2与第二负载R2并联，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：VL1＝Vd-VC2，输出电压vo1＝VC1-VL1，vo2＝VL2。此阶段时间为(1-D2)T。

[0025] 工作模态3：

[0026] 如图3时间段[t2-t3]所示，三个开关管都导通，二极管关断，此时的等效电路图如图2c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。

[0027] 工作模态4：

[0028] 如图3时间段[t3-t4]所示，第三开关管S3关断，其余两个开关管都导通，二极管导通，此时的等效电路图如图2d所示。电源Vd通过二极管D给第一电容C1、第二电容C2、第一电感L1和第二电感L2充电，同时第一电容C1与电感L1一起给第一负载R1提供能量，电感电流下降。第二电容C2与第二负载R2并联，给二负载R2传输能量。第一电感L1电压为：VL1＝Vd-VC2，输出电压vo1＝VC1-VL1，vo2＝VC2。此阶段时间为(1-D2)T。

[0029] 工作模态5：

[0030] 如图3时间段[t4-t5]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2e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。

[0031] 工作模态6：

[0032] 如图3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都导通，二极管导通，此时的等效电路图如图2f所示。R1被第二开关管和第三开关管导通而成短路，输出电压Vo1为0。电源Vd通过二极管D给第一电容C1、第二电容C2、第一电感L1和第二电感L2充电。第二电感L2与第二负载R2并联，给第二负载R2传输能量，第二电感L2电流下降。第一负载L1电压为：VL1＝Vd-VC2，输出电压vo1＝0，vo2＝VL2。此阶段时间为(1-D2)T。

[0033] 综上所描述，根据电感的在一个开关周期中,根据电感L1的伏-秒数守恒，得即 由此得

[0034]

[0035] 由此可得到 也由此得到输出表达式为

[0036]

[0037]

[0038] 与现有技术相比本发明具有如下优点：

[0039] 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，却能达到比传统Z源半桥变换器高的输出增益，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，特别适用于多输出的电解电镀等电化学电源装置。

[0040] 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。

[0041] 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。