一种多输出Z源半桥变换器

摘要

本发明公开了一种多输出Z源半桥变换器，该变换器包括一个电源、一个二极管、N个直流稳压电容、N个Z源阻抗以及N个开关管，每个Z源阻抗均包括第一电容、第二电容、第一电感以及第二电感，第一电感的第一端与第一电容的第一端连接，其公共端作为该Z源阻抗的第一端，第二电感的第一端与第二电容的第一端连接，其公共端作为该Z源阻抗的第二端，第一电感的第二端与第二电容的第二端连接，其公共端作为该Z源阻抗的第三端，第一电容的第二端与第二电感的第二端连接，其公共端作为该Z源阻抗的第四端。当有N‑1路输出时，本发明仅需要一个电源，N个直流稳压电容以及N个开关管，减少了很多器件，结构简单，降低了成本以及控制难度，效率高。

权利要求

1.一种多输出Z源半桥变换器，其特征在于，该变换器包括一个电源、一个二极管、N个直流稳压电容、N个Z源阻抗以及N个开关管，N为不小于2的整数，其中：每个Z源阻抗均包括第一电容、第二电容、第一电感以及第二电感，所述第一电感的第一端与所述第一电容的第一端连接，其公共端作为该Z源阻抗的第一端，所述第二电感的第一端与所述第二电容的第一端连接，其公共端作为该Z源阻抗的第二端，所述第一电感的第二端与所述第二电容的第二端连接，其公共端作为该Z源阻抗的第三端，所述第一电容的第二端与所述第二电感的第二端连接，其公共端作为该Z源阻抗的第四端；

第M直流稳压电容的第一端和第二端分别对应与第M Z源阻抗的第一端和第二端连接，

2≤M≤N，第一直流稳压电容的第一端与所述二极管的阳极连接，所述二极管的阴极与第一Z源阻抗的第一端连接，所述第一直流稳压电容的第二端与所述第一Z源阻抗的第二端连接；第(M-1)Z源阻抗的第四端与第M Z源阻抗的第三端连接，其公共端与第M-1负载的一端连接，第M-1开关管的源极与第M开关管的漏极连接，其公共端与所述第M-1负载的另一端连接，所述第一Z源阻抗的第三端与第一开关管的漏极连接，第N Z源阻抗的第四端与第N开关管的源极连接；所述电源的正极与所述第一直流稳压电容的第一端连接，所述电源的负极与第N直流稳压电容的第二端连接。

2.如权利要求1所述的多输出Z源半桥变换器，其特征在于，该变换器包括3个直流稳压电容、3个Z源阻抗以及3个开关管。

3.如权利要求2所述的多输出Z源半桥变换器，其特征在于，所述开关管为NMOS。

4.如权利要求3所述的多输出Z源半桥变换器，其特征在于，所有直流稳压电容的容值均相等。

5.如权利要求3所述的多输出Z源半桥变换器，其特征在于，所有Z源阻抗中的第一电感值均相等。

6.如权利要求3所述的多输出Z源半桥变换器，其特征在于，所有Z源阻抗中的第二电感值均相等。

7.如权利要求3所述的多输出Z源半桥变换器，其特征在于，所有Z源阻抗中的第一电容值均相等。

8.如权利要求3所述的多输出Z源半桥变换器，其特征在于，所有Z源阻抗中的第二电容值均相等。

说明书

一种多输出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，特别是涉及一种多输出Z源半桥变换器。

背景技术

[0002] 半桥变换器根据输入电源和控制策略的不同可实现逆变的功能或者整流的功能，即可做半桥逆变器，也可做半桥整流器。现有技术中常规的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Z源半桥变换器(如图1)已经可以解决上述问题。然而，随着新能源技术的市场需求，多电路输出的电路己经变得日益迫切。因此，当需要N-1路输出的时候，就需要N-1个Z源半桥变换器，N为不小于2的整数。然而，N-1个Z源半桥变换器需要N-1个电源，2(N-1)个储能电容以及2(N-1)个开关管。一方面，使用的器件多，造成成本以及控制难度的提高，另一方面，很多应用场合是不允许用多个电源的。

[0004] 因此，如何提供一种解决上述技术问题的多输出Z源半桥变换器是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种多输出Z源半桥变换器，当有N-1路输出时，仅需要一个电源，N个直流稳压电容以及N个开关管，减少了很多器件，结构简单，降低了成本以及控制难度，效率高。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种多输出Z源半桥变换器，该变换器包括一个电源、一个二极管、N个直流稳压电容、N个Z源阻抗以及N个开关管，N为不小于2的整数，其中：

[0007] 每个Z源阻抗均包括第一电容、第二电容、第一电感以及第二电感，所述第一电感的第一端与所述第一电容的第一端连接，其公共端作为该Z源阻抗的第一端，所述第二电感的第一端与所述第二电容的第一端连接，其公共端作为该Z源阻抗的第二端，所述第一电感的第二端与所述第二电容的第二端连接，其公共端作为该Z源阻抗的第三端，所述第一电容的第二端与所述第二电感的第二端连接，其公共端作为该Z源阻抗的第四端；

[0008] 第M直流稳压电容的第一端和第二端分别对应与第M Z源阻抗的第一端和第二端连接，2≤M≤N，第一直流稳压电容的第一端与所述二极管的阳极连接，所述二极管的阴极与第一Z源阻抗的第一端连接，所述第一直流稳压电容的第二端与所述第一Z源阻抗的第二端连接；第(M-1)Z源阻抗的第四端与第M Z源阻抗的第三端连接，其公共端与第M-1负载的一端连接，第M-1开关管的源极与第M开关管的漏极连接，其公共端与所述第M-1负载的另一端连接，所述第一Z源阻抗的第三端与所述第一开关管的漏极连接，所述第N Z源阻抗的第四端与所述第N开关管的源极连接；所述电源的正极与所述第一直流稳压电容的第一端连接，所述电源的负极与所述第N直流稳压电容的第二端连接。

[0009] 优选地，该变换器包括3个直流稳压电容、3个Z源阻抗以及3个开关管。

[0010] 优选地，所述开关管为NMOS。

[0011] 优选地，所有直流稳压电容的容值均相等。

[0012] 优选地，所有Z源阻抗中的第一电感值均相等。

[0013] 优选地，所有Z源阻抗中的第二电感值均相等。

[0014] 优选地，所有Z源阻抗中的第一电容值均相等。

[0015] 优选地，所有Z源阻抗中的第二电容值均相等。

[0016] 本发明提供了一种多输出Z源半桥变换器，该变换器包括一个电源、一个二极管、N个直流稳压电容、N个Z源阻抗以及N个开关管，N为不小于2的整数，其中，每个Z源阻抗均包括第一电容、第二电容、第一电感以及第二电感。本发明提供的多输出Z源半桥变换器，与现有技术相比，当有N-1路输出时，仅需要一个电源，N个直流稳压电容以及N个开关管，减少了很多器件，结构简单，降低了成本以及控制难度，效率高。

附图说明

[0017] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0018] 图1为现有技术中的一中Z源半桥变换器的电路原理图；

[0019] 图2为本发明提供的一种多输出Z源半桥变换器的电路原理图；

[0020] 图3为本发明提供的N为3时的多输出Z源半桥变换器的电路原理图；

[0021] 图4为本发明提供给的图3在工作模态1下的电路图；

[0022] 图5为本发明提供给的图3在工作模态2下的电路图；

[0023] 图6为本发明提供给的图3在工作模态3下的电路图。

具体实施方式

[0024] 本发明的核心是提供一种多输出Z源半桥变换器，当有N-1路输出时，仅需要一个电源，N个直流稳压电容以及N个开关管，减少了很多器件，结构简单，降低了成本以及控制难度，效率高。

[0025] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0026] 请参照图2，图2为本发明提供的一种多输出Z源半桥变换器的电路原理图，该变换器包括一个电源Vd、一个二极管、N个直流稳压电容、N个Z源阻抗以及N个开关管，N为不小于2的整数，其中：

[0027] 每个Z源阻抗均包括第一电容、第二电容、第一电感以及第二电感，第一电感的第一端与第一电容的第一端连接，其公共端作为该Z源阻抗的第一端，第二电感的第一端与第二电容的第一端连接，其公共端作为该Z源阻抗的第二端，第一电感的第二端与第二电容的第二端连接，其公共端作为该Z源阻抗的第三端，第一电容的第二端与第二电感的第二端连接，其公共端作为该Z源阻抗的第四端；

[0028] 第M直流稳压电容的第一端和第二端分别对应与第M Z源阻抗的第一端和第二端连接，2≤M≤N，第一直流稳压电容的第一端与二极管的阳极连接，二极管的阴极与第一Z源阻抗的第一端连接，第一直流稳压电容的第二端与第一Z源阻抗的第二端连接；第(M-1)Z源阻抗的第四端与第M Z源阻抗的第三端连接，其公共端与第M-1负载的一端连接，第M-1开关管的源极与第M开关管的漏极连接，其公共端与第M-1负载的另一端连接，第一Z源阻抗的第三端与第一开关管的漏极连接，第N Z源阻抗的第四端与第N开关管的源极连接；电源Vd的正极与第一直流稳压电容的第一端连接，电源Vd的负极与第N直流稳压电容的第二端连接。

[0029] 可以理解的是，本申请只需一个电源，且N个开关管对应了N个Z源阻抗。

[0030] 具体地，第M Z源阻抗中的第一电容为C2M-1，第二电容为C2M，第一电感为L2M-1，第二电感为L2M。

[0031] 作为优选地，所有Z源阻抗中的第一电感值均相等。

[0032] 作为优选地，所有Z源阻抗中的第二电感值均相等。

[0033] 作为优选地，所有Z源阻抗中的第一电容值均相等。

[0034] 作为优选地，所有Z源阻抗中的第二电容值均相等。

[0035] 当所有Z源阻抗中的第一电感值、第二电感值、第一电容值以及第二电容值均分别对应相等时，则N个Z源阻抗完全相等。当然，各个Z源阻抗的第一电感值、第二电感值、第一电容值以及第二电容值也可分别不对应相等，具体根据负载输出要求来定。

[0036] 作为优选地，所有直流稳压电容的容值均相等。

[0037] 作为优选地，开关管为NMOS。

[0038] 当然，这里的开关管还可以为N型三极管，IGBT等电力电子器件，本发明在此不做特别的限定，根据实际情况来定。

[0039] 作为优选地，该变换器包括3个直流稳压电容、3个Z源阻抗以及3个开关管。

[0040] 具体地，N可以取3，当然，N还可以取其他数值，本发明在此不做特别的限定，根据实际情况来定。

[0041] 下面以N为3时的Z源半桥变换器为例，对其工作原理作介绍：

[0042] 具体地，请参照图3-6，其中，图3为本发明提供的N为3时的多输出Z源半桥变换器的电路原理图，图4为本发明提供给的图3在工作模态1下的电路图，图5为本发明提供给的图3在工作模态2下的电路图，图6为本发明提供给的图3在工作模态3下的电路图，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；以顺时钟方向为正方向。

[0043] 需要说明的是，图4-图6是本发明提供的多输出Z源半桥变换器在一个开关周期内的3个工作模态。其中，第一开关管S1和第三开关管S3(同时导通)的导通时间为D1T，第二开关管的导通时间为D2T，比S1和S3滞后0.5T。

[0044] 工作模态1：

[0045] 如图4所示，二极管D1、第一开关管S1和第三开关管S3导通，第二开关管S2关断。输入电源Vd通过二极管D1和第一Z源阻抗一起给第一负载R1传递能量；同时，输入电源Vd对第二Z源阻抗传递能量；同时，输入电源Vd和第三Z源阻抗一起给第二负载R2传递能量；此模态下，其关系式如下：

[0046] Vo1＝VC2-VL2  (1)

[0047] Vo2＝VL6-VC6  (2)

[0048] 其中，Vo1、Vo2、VC2、VL2、VC6和VL6分别表示第一负载输出电压，第二负载输出电压，VC2为第二电容的电压，VL2为第二电感的电压，VC6为第六电容的电压，VL6为第六电感的电压。

[0049] 工作模态2：

[0050] 如图5所示，二极管D1关断，第一开关管S1、第二开关管S2和第三开关管S3导通。第一Z源阻抗和第二Z源阻抗一起给第一负载R1传递能量；同时，第二Z源阻抗和第三Z源阻抗一起给第一负载R2传递能量；此模态下，其关系式如下：

[0051] Vo1＝VC2-VL2  (3)

[0052] Vo2＝VL6-VC6  (4)

[0053] 工作模态3：

[0054] 如图6所示，二极管D1、第二开关管S2导通，第一开关管S1和第三开关管S3关断。电源Vd给第一Z源阻抗和第三Z源阻抗充电，第二Z源阻抗给负载R1和R2提供能量；此模态下，其关系式如下：

[0055]

[0056] 在一个开关周期T内，假设模式1为D1T,模式2为D2T,根据电感L2和电感L6的伏秒数守恒定律，得到 和 得到。

[0057]

[0058]

[0059] 因为电容C1和C2，电容C5和C6对称相等，有

[0060]

[0061] 且因为电感L1与L2，电感L3与L4，电感L5与L6对称相等，电容Cd1，Cd2，和Cd3对称相等，可以得到

[0062]

[0063] 综上，代入可以得到两路输出的公式如下。

[0064]

[0065]

[0066] 本发明中，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。

[0067] 另外，本申请包括N个Z源阻抗，一方面，N个Z源阻抗来承担减轻电源的直通电流，能更好的工作在直通状态，减少了每个Z源阻抗承受的应力，提高了Z源阻抗中器件的寿命以及整个变换器的安全性能。另一方面，本申请能够通过对每个开关管以及对应Z源阻抗的单独控制来实现对N-1路输出中每路输出的直通和短路操作的单独控制，增大了适用范围。例如，当本申请中的多输出半桥逆变器为双输出半桥逆变器时，则可以控制一个输出输出直流，为直流负载供电，可以控制另一个输出输出交流，为交流负载供电。

[0068] 本发明提供了一种多输出Z源半桥变换器，该变换器包括一个电源、一个二极管、N个直流稳压电容、N个Z源阻抗以及N个开关管，N为不小于2的整数，其中，每个Z源阻抗均包括第一电容、第二电容、第一电感以及第二电感。本发明提供的多输出Z源半桥变换器，与现有技术相比，当有N-1路输出时，仅需要一个电源，N个直流稳压电容以及N个开关管，减少了很多器件，结构简单，降低了成本以及控制难度，效率高。

[0069] 另外，本申请具有高可靠性、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。

[0070] 需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

[0071] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。