本實(shí)用新型涉及電力電子變換器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種多輸出Z源半橋變換器。
背景技術(shù)：
半橋變換器根據(jù)輸入電源和控制策略的不同可實(shí)現(xiàn)逆變的功能或者整流的功能，即可做半橋逆變器，也可做半橋整流器?，F(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)的逆變橋臂直接與直流電壓源并聯(lián)，當(dāng)逆變橋臂的上、下開(kāi)關(guān)管因誤觸發(fā)而直通時(shí)，會(huì)流過(guò)非常大的電流而使開(kāi)關(guān)管損毀。而且，這類(lèi)半橋逆變器輸出交流電壓的幅值只有輸入電壓的一半，屬于降壓型逆變器，輸出電壓的范圍比較窄。為了提高輸出交流電壓的幅值，傳統(tǒng)的做法是在逆變器前級(jí)加入升壓環(huán)節(jié)，或在輸出端接變壓器進(jìn)行升壓。在逆變器前級(jí)加入升壓環(huán)節(jié)的方案中至少需要多用一個(gè)開(kāi)關(guān)管，這增加了功率傳遞中的開(kāi)關(guān)損耗，也增加了控制的復(fù)雜性。在逆變器輸出端接變壓器雖然可以提高輸出電壓的幅值，但是當(dāng)變壓器匝比固定時(shí)，輸出交流電壓的幅值是一定值。
目前Z源半橋變換器(如圖1)已經(jīng)可以解決上述問(wèn)題。然而，隨著新能源技術(shù)的市場(chǎng)需求，多電路輸出的電路己經(jīng)變得日益迫切。因此，當(dāng)需要N-1路輸出的時(shí)候，就需要N-1個(gè)Z源半橋變換器，N為不小于2的整數(shù)。然而，N-1個(gè)Z源半橋變換器需要N-1個(gè)電源，2(N-1)個(gè)儲(chǔ)能電容以及2(N-1)個(gè)開(kāi)關(guān)管。一方面，使用的器件多，造成成本以及控制難度的提高，另一方面，很多應(yīng)用場(chǎng)合是不允許用多個(gè)電源的。
因此，如何提供一種解決上述技術(shù)問(wèn)題的多輸出Z源半橋變換器是本領(lǐng)域技術(shù)人員目前需要解決的問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本實(shí)用新型的目的是提供一種多輸出Z源半橋變換器，當(dāng)有N-1路輸出時(shí)，僅需要一個(gè)電源，N個(gè)直流穩(wěn)壓電容以及N個(gè)開(kāi)關(guān)管，減少了很多器件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低了成本以及控制難度，效率高。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了一種多輸出Z源半橋變換器，該變換器包括一個(gè)電源、一個(gè)二極管、N個(gè)直流穩(wěn)壓電容、N個(gè)Z源阻抗以及N個(gè)開(kāi)關(guān)管，N為不小于2的整數(shù)，其中：
每個(gè)Z源阻抗均包括第一電容、第二電容、第一電感以及第二電感，所述第一電感的第一端與所述第一電容的第一端連接，其公共端作為該Z源阻抗的第一端，所述第二電感的第一端與所述第二電容的第一端連接，其公共端作為該Z源阻抗的第二端，所述第一電感的第二端與所述第二電容的第二端連接，其公共端作為該Z源阻抗的第三端，所述第一電容的第二端與所述第二電感的第二端連接，其公共端作為該Z源阻抗的第四端；
第M直流穩(wěn)壓電容的第一端和第二端分別對(duì)應(yīng)與第M Z源阻抗的第一端和第二端連接，2≤M≤N，第一直流穩(wěn)壓電容的第一端與所述二極管的陽(yáng)極連接，所述二極管的陰極與第一Z源阻抗的第一端連接，所述第一直流穩(wěn)壓電容的第二端與所述第一Z源阻抗的第二端連接；第(M-1)Z源阻抗的第四端與第M Z源阻抗的第三端連接，其公共端與第M-1負(fù)載的一端連接，第M-1開(kāi)關(guān)管的源極與第M開(kāi)關(guān)管的漏極連接，其公共端與所述第M-1負(fù)載的另一端連接，所述第一Z源阻抗的第三端與所述第一開(kāi)關(guān)管的漏極連接，所述第N Z源阻抗的第四端與所述第N開(kāi)關(guān)管的源極連接；所述電源的正極與所述第一直流穩(wěn)壓電容的第一端連接，所述電源的負(fù)極與所述第N直流穩(wěn)壓電容的第二端連接。
優(yōu)選地，該變換器包括3個(gè)直流穩(wěn)壓電容、3個(gè)Z源阻抗以及3個(gè)開(kāi)關(guān)管。
優(yōu)選地，所述開(kāi)關(guān)管為NMOS。
優(yōu)選地，所有直流穩(wěn)壓電容的容值均相等。
優(yōu)選地，所有Z源阻抗中的第一電感值均相等。
優(yōu)選地，所有Z源阻抗中的第二電感值均相等。
優(yōu)選地，所有Z源阻抗中的第一電容值均相等。
優(yōu)選地，所有Z源阻抗中的第二電容值均相等。
本實(shí)用新型提供了一種多輸出Z源半橋變換器，該變換器包括一個(gè)電源、一個(gè)二極管、N個(gè)直流穩(wěn)壓電容、N個(gè)Z源阻抗以及N個(gè)開(kāi)關(guān)管，N為不小于2的整數(shù)，其中，每個(gè)Z源阻抗均包括第一電容、第二電容、第一電感以及第二電感。本實(shí)用新型提供的多輸出Z源半橋變換器，與現(xiàn)有技術(shù)相比，當(dāng)有N-1路輸出時(shí)，僅需要一個(gè)電源，N個(gè)直流穩(wěn)壓電容以及N個(gè)開(kāi)關(guān)管，減少了很多器件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低了成本以及控制難度，效率高。
附圖說(shuō)明
為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)現(xiàn)有技術(shù)和實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的一中Z源半橋變換器的電路原理圖；
圖2為本實(shí)用新型提供的一種多輸出Z源半橋變換器的電路原理圖；
圖3為本實(shí)用新型提供的N為3時(shí)的多輸出Z源半橋變換器的電路原理圖；
圖4為本實(shí)用新型提供給的圖3在工作模態(tài)1下的電路圖；
圖5為本實(shí)用新型提供給的圖3在工作模態(tài)2下的電路圖；
圖6為本實(shí)用新型提供給的圖3在工作模態(tài)3下的電路圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的核心是提供一種多輸出Z源半橋變換器，當(dāng)有N-1路輸出時(shí)，僅需要一個(gè)電源，N個(gè)直流穩(wěn)壓電容以及N個(gè)開(kāi)關(guān)管，減少了很多器件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低了成本以及控制難度，效率高。
為使本實(shí)用新型實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
請(qǐng)參照?qǐng)D2，圖2為本實(shí)用新型提供的一種多輸出Z源半橋變換器的電路原理圖，該變換器包括一個(gè)電源Vd、一個(gè)二極管、N個(gè)直流穩(wěn)壓電容、N個(gè)Z源阻抗以及N個(gè)開(kāi)關(guān)管，N為不小于2的整數(shù)，其中：
每個(gè)Z源阻抗均包括第一電容、第二電容、第一電感以及第二電感，第一電感的第一端與第一電容的第一端連接，其公共端作為該Z源阻抗的第一端，第二電感的第一端與第二電容的第一端連接，其公共端作為該Z源阻抗的第二端，第一電感的第二端與第二電容的第二端連接，其公共端作為該Z源阻抗的第三端，第一電容的第二端與第二電感的第二端連接，其公共端作為該Z源阻抗的第四端；
第M直流穩(wěn)壓電容的第一端和第二端分別對(duì)應(yīng)與第M Z源阻抗的第一端和第二端連接，2≤M≤N，第一直流穩(wěn)壓電容的第一端與二極管的陽(yáng)極連接，二極管的陰極與第一Z源阻抗的第一端連接，第一直流穩(wěn)壓電容的第二端與第一Z源阻抗的第二端連接；第(M-1)Z源阻抗的第四端與第M Z源阻抗的第三端連接，其公共端與第M-1負(fù)載的一端連接，第M-1開(kāi)關(guān)管的源極與第M開(kāi)關(guān)管的漏極連接，其公共端與第M-1負(fù)載的另一端連接，第一Z源阻抗的第三端與第一開(kāi)關(guān)管的漏極連接，第N Z源阻抗的第四端與第N開(kāi)關(guān)管的源極連接；電源Vd的正極與第一直流穩(wěn)壓電容的第一端連接，電源Vd的負(fù)極與第N直流穩(wěn)壓電容的第二端連接。
可以理解的是，本申請(qǐng)只需一個(gè)電源，且N個(gè)開(kāi)關(guān)管對(duì)應(yīng)了N個(gè)Z源阻抗。
具體地，第M Z源阻抗中的第一電容為C2M-1，第二電容為C2M，第一電感為L(zhǎng)2M-1，第二電感為L(zhǎng)2M。
作為優(yōu)選地，所有Z源阻抗中的第一電感值均相等。
作為優(yōu)選地，所有Z源阻抗中的第二電感值均相等。
作為優(yōu)選地，所有Z源阻抗中的第一電容值均相等。
作為優(yōu)選地，所有Z源阻抗中的第二電容值均相等。
當(dāng)所有Z源阻抗中的第一電感值、第二電感值、第一電容值以及第二電容值均分別對(duì)應(yīng)相等時(shí)，則N個(gè)Z源阻抗完全相等。當(dāng)然，各個(gè)Z源阻抗的第一電感值、第二電感值、第一電容值以及第二電容值也可分別不對(duì)應(yīng)相等，具體根據(jù)負(fù)載輸出要求來(lái)定。
作為優(yōu)選地，所有直流穩(wěn)壓電容的容值均相等。
作為優(yōu)選地，開(kāi)關(guān)管為NMOS。
當(dāng)然，這里的開(kāi)關(guān)管還可以為N型三極管，IGBT等電力電子器件，本實(shí)用新型在此不做特別的限定，根據(jù)實(shí)際情況來(lái)定。
作為優(yōu)選地，該變換器包括3個(gè)直流穩(wěn)壓電容、3個(gè)Z源阻抗以及3個(gè)開(kāi)關(guān)管。
具體地，N可以取3，當(dāng)然，N還可以取其他數(shù)值，本實(shí)用新型在此不做特別的限定，根據(jù)實(shí)際情況來(lái)定。
下面以N為3時(shí)的Z源半橋變換器為例，對(duì)其工作原理作介紹：
具體地，請(qǐng)參照?qǐng)D3-6，其中，圖3為本實(shí)用新型提供的N為3時(shí)的多輸出Z源半橋變換器的電路原理圖，圖4為本實(shí)用新型提供給的圖3在工作模態(tài)1下的電路圖，圖5為本實(shí)用新型提供給的圖3在工作模態(tài)2下的電路圖，圖6為本實(shí)用新型提供給的圖3在工作模態(tài)3下的電路圖，圖中實(shí)線表示變換器中有電流流過(guò)的部分，虛線表示變換器中沒(méi)有電流流過(guò)的部分；以順時(shí)鐘方向?yàn)檎较颉?/p>
需要說(shuō)明的是，圖4-圖6是本實(shí)用新型提供的多輸出Z源半橋變換器在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的3個(gè)工作模態(tài)。其中，第一開(kāi)關(guān)管S1和第三開(kāi)關(guān)管S3(同時(shí)導(dǎo)通)的導(dǎo)通時(shí)間為D1T，第二開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間為D2T，比S1和S3滯后0.5T。
工作模態(tài)1：
如圖4所示，二極管D1、第一開(kāi)關(guān)管S1和第三開(kāi)關(guān)管S3導(dǎo)通，第二開(kāi)關(guān)管S2關(guān)斷。輸入電源Vd通過(guò)二極管D1和第一Z源阻抗一起給第一負(fù)載R1傳遞能量；同時(shí)，輸入電源Vd對(duì)第二Z源阻抗傳遞能量；同時(shí)，輸入電源Vd和第三Z源阻抗一起給第二負(fù)載R2傳遞能量；此模態(tài)下，其關(guān)系式如下：
Vo1＝VC2-VL2 (1)
Vo2＝VL6-VC6 (2)
其中，Vo1、Vo2、VC2、VL2、VC6和VL6分別表示第一負(fù)載輸出電壓，第二負(fù)載輸出電壓，VC2為第二電容的電壓，VL2為第二電感的電壓，VC6為第六電容的電壓，VL6為第六電感的電壓。
工作模態(tài)2：
如圖5所示，二極管D1關(guān)斷，第一開(kāi)關(guān)管S1、第二開(kāi)關(guān)管S2和第三開(kāi)關(guān)管S3導(dǎo)通。第一Z源阻抗和第二Z源阻抗一起給第一負(fù)載R1傳遞能量；同時(shí)，第二Z源阻抗和第三Z源阻抗一起給第一負(fù)載R2傳遞能量；此模態(tài)下，其關(guān)系式如下：
Vo1＝VC2-VL2 (3)
Vo2＝VL6-VC6 (4)
工作模態(tài)3：
如圖6所示，二極管D1、第二開(kāi)關(guān)管S2導(dǎo)通，第一開(kāi)關(guān)管S1和第三開(kāi)關(guān)管S3關(guān)斷。電源Vd給第一Z源阻抗和第三Z源阻抗充電，第二Z源阻抗給負(fù)載R1和R2提供能量；此模態(tài)下，其關(guān)系式如下：
在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T內(nèi)，假設(shè)模式1為D1T,模式2為D2T,根據(jù)電感L2和電感L6的伏秒數(shù)守恒定律，得到和得到。
因?yàn)殡娙軨1和C2，電容C5和C6對(duì)稱(chēng)相等，有
且因?yàn)殡姼蠰1與L2，電感L3與L4，電感L5與L6對(duì)稱(chēng)相等，電容Cd1，Cd2，和Cd3對(duì)稱(chēng)相等，可以得到
綜上，代入可以得到兩路輸出的公式如下。
本實(shí)用新型中，Z源阻抗的存在一方面避免了因開(kāi)關(guān)管直通而遭到損毀，另一方面當(dāng)開(kāi)關(guān)管直通時(shí)起到升壓的作用。通過(guò)控制三個(gè)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通占空比，可以分別控制兩路輸出的升壓和降壓，并實(shí)現(xiàn)兩路輸出電壓的正負(fù)脈沖的對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)。
另外，本申請(qǐng)包括N個(gè)Z源阻抗，一方面，N個(gè)Z源阻抗來(lái)承擔(dān)減輕電源的直通電流，能更好的工作在直通狀態(tài)，減少了每個(gè)Z源阻抗承受的應(yīng)力，提高了Z源阻抗中器件的壽命以及整個(gè)變換器的安全性能。另一方面，本申請(qǐng)能夠通過(guò)對(duì)每個(gè)開(kāi)關(guān)管以及對(duì)應(yīng)Z源阻抗的單獨(dú)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)N-1路輸出中每路輸出的直通和短路操作的單獨(dú)控制，增大了適用范圍。例如，當(dāng)本申請(qǐng)中的多輸出半橋逆變器為雙輸出半橋逆變器時(shí)，則可以控制一個(gè)輸出輸出直流，為直流負(fù)載供電，可以控制另一個(gè)輸出輸出交流，為交流負(fù)載供電。
本實(shí)用新型提供了一種多輸出Z源半橋變換器，該變換器包括一個(gè)電源、一個(gè)二極管、N個(gè)直流穩(wěn)壓電容、N個(gè)Z源阻抗以及N個(gè)開(kāi)關(guān)管，N為不小于2的整數(shù)，其中，每個(gè)Z源阻抗均包括第一電容、第二電容、第一電感以及第二電感。本實(shí)用新型提供的多輸出Z源半橋變換器，與現(xiàn)有技術(shù)相比，當(dāng)有N-1路輸出時(shí)，僅需要一個(gè)電源，N個(gè)直流穩(wěn)壓電容以及N個(gè)開(kāi)關(guān)管，減少了很多器件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低了成本以及控制難度，效率高。
另外，本申請(qǐng)具有高可靠性、寬輸出電壓范圍和豐富的輸出交流脈沖波形，特別適用于雙輸出的新能源電源裝置以及電解電鍍等電化學(xué)電源裝置。
需要說(shuō)明的是，在本說(shuō)明書(shū)中，諸如第一和第二等之類(lèi)的關(guān)系術(shù)語(yǔ)僅僅用來(lái)將一個(gè)實(shí)體或者操作與另一個(gè)實(shí)體或操作區(qū)分開(kāi)來(lái)，而不一定要求或者暗示這些實(shí)體或操作之間存在任何這種實(shí)際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒(méi)有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒(méi)有更多限制的情況下，由語(yǔ)句“包括一個(gè)……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。
對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施例的上述說(shuō)明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本實(shí)用新型。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本實(shí)用新型的精神或范圍的情況下，在其他實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本實(shí)用新型將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開(kāi)的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。