CN106602917A - 一种新型高增益z源半桥逆变器 - Google Patents

一种新型高增益z源半桥逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种新型高增益Z源半桥逆变器电路，包括由两个独立电压源，第一MOS管，第二MOS管和负载电阻R L 组成的半桥逆变器单元，以及由第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五二极管和第六二极管构成的上下对称的Z源阻抗网络。整个电路结合了传统半桥逆变器和新型Z源阻抗网络各自的优点，并利用阻抗网络中电感和电容之间的能量交换，实现了更高的输出电压增益。且通过控制第一MOS管和第二MOS管的直通占空比可以实现逆变器升压或降压，并能实现输出正、负幅值对称且还具有零电平的电压波形，特别适合用于电解、电镀等电化学电源装置。

Description

一种新型高增益Z源半桥逆变器
技术领域
本发明涉及电力电子电路技术领域，具体涉及一种新型高增益Z源半桥逆变器电路。
背景技术
对于常规的半桥逆变器，其逆变桥臂是与直流电压源直接并联的。但是当逆变桥臂上下两个开关管因电磁干扰误触发而同时导通时，就会在其上流过非常大的电流而使开关损坏。而且，这类半桥逆变器的交流输出电压的幅值只有直流输入电压的一半，输出电压范围较窄，属于降压型逆变器。为了提高交流侧输出电压的幅值，传统的做法是在逆变器直流侧加入一个DC/DC升压环节，构成了一个具有DC/DC和DC/AC的两级功率变换的变换器，这在一定程度上增加了整个***的体积和容量，也增加了能量传递中的开关损耗和控制的复杂性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种新型高增益Z源半桥逆变器，具体技术方案如下。
一种新型高增益Z源半桥逆变器，包括两个相同的第一电压源和第二电压源、第一MOS管、第二MOS管、高增益的Z源阻抗网络和负载电阻；所述高增益的Z源阻抗网络由第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和第五二极管及第六二极管构成。
本发明电路具体的连接方式为：所述第一电压源的正极与第一MOS管的漏极连接；所述第一MOS管的源极分别与第二二极管的阳极、第四电感的一端、第一电容的负极和第三电容的负极连接；所述第四电感的另一端分别与第四二极管的阳极和第四电容的负极连接；所述第四二极管的阴极分别与第二二极管的阴极、第二电感的一端连接；所述第二电感的另一端分别与第二电容的负极和第五二极管的阳极连接；所述第五二极管的阴极分别与负载电阻的一端和第六二极管的阳极连接；所述第六二极管的阴极分别与第一电容的正极和第一电感的一端连接；所述第一电感的另一端分别与第一二极管的阳极和第三二极管的阳极连接；所述第三二极管的阴极分别与第三电容的正极和第三电感的一端连接；所述第三电感的另一端分别与第二电容的正极、第四电容的正极、第一二极管的阴极和第二MOS管的漏极连接；所述第二MOS管的源极与第二电压源的负极连接；所述负载电阻的另一端分别与第一电压源的负极和第二电压源的正极连接。
该半桥逆变器的升压因子B为:
其中D为第一MOS管和第二MOS管同时导通时的直通占空比。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明是把一种高增益的Z源阻抗网络并联接入到半桥逆变器的逆变桥臂和输出负载之间。该变换器利用Z源阻抗网络中电感电流不能突变的特性，从而抑制了因桥臂直通时引起的电流突变，保证了逆变桥臂中的开关管工作在安全范围内。由于该Z源半桥逆变器允许逆变桥臂直通，且Z源阻抗网络与逆变桥臂构成了升压环节。因此不会存在因电磁干扰而误直通引起桥臂开关管损坏的情况，并且通过控制逆变桥臂上下两个开关管的直通占空比可以实现逆变器的升压或降压功能。
附图说明
图1是实施方式中的一种新型高增益Z源半桥逆变器电路图。
图2a是图1所示电路在第一MOS管和第二MOS管同时导通时的等效电路图。
图2b是图1所示电路在第一MOS管导通第二MOS管关断时的等效电路图。
图2c是图1所示电路第一MOS管关断第二MOS管导通时的等效电路图。
图3a为本发明实例中电路的升压因子曲线与混合拓展准Z源逆变器、开关电感Z源逆变器、基于二极管二级拓展的准Z源逆变器和传统Z源逆变器的升压因子曲线比较图。
图3b是以Vi＝10V，直通占空比D＝0.2为例给出的本发明实例中电路直流侧和交流侧相关变量的仿真结果图。
具体实施方式
以下结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述说明，但本发明的实施方式不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或参数，均是本领域技术人员可参照现有技术理解或实现的。
本实例的基本拓扑结构和各主要元件如图1所示。一种新型高增益Z源半桥逆变器电路，其包括两个相同的第一电压源Vi1和第二电压源Vi2、第一MOS管S1、第二MOS管S2、高增益的Z源阻抗网络和负载电阻RL；所述高增益的Z源阻抗网络由第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4和第五二极管Da及第六二极管Db构成。
图2a、图2b和图2c给出了本实例电路的工作过程图。图2a、图2b和图2c分别是第一MOS管和第二MOS管同时导通、第一MOS管导通第二MOS管关断、第一MOS管关断第二MOS管导通时对应的等效电路图。图中实线表示变换器中有电流流过的部分，虚线表示变换器中无电流流过的部分。
本实例的电路的作过程如下：
工作模态1，如图2a所示，当第一MOS管和第二MOS管同时导通时，所述第三二极管、第四二极管、第五二极管和第六二极管均关断，第一二极管和第二二极管正向导通。第一电压源和第二电压源与第一电容串联对第一电感充电；第一电压源和第二电压源与第二电容串联对第二电感充电；第一电压源和第二电压源与第三电容串联对第三电感充电；第一电压源和第二电压源与第四电容串联对第四电感充电；由于第五二极管和第六二极管均关断，故该模态下逆变器输出电压为零。
工作模态2，如图2b所示，当第一MOS管导通，第二MOS管关断时，所述第一二极管、第二二极管关断，第三二极管、第四二极管、第五二极管和第六二极管均导通，所述第二电感和第四电感串联向第一电容充电；第一电感和第三电感串联向第二电容充电；第一电感、第二电感和第四电感串联向第三电容充电；第一电感、第二电感和第三电感串联向第四电容充电；同时第一电压源与第二电感和第四电感串联向负载释放能量，故该模态下逆变器输出电压为正值。
工作模态3，如图2a所示，该模态下电路工作机理和工作模态1完全相同，故不再赘述。
工作模态4,如图2c所示，当第一MOS管关断，第二MOS管导通时，所述第一二极管、第二二极管关断，第三二极管、第四二极管、第五二极管和第六二极管均导通，所述第二电感和第四电感串联向第一电容充电；第一电感和第三电感串联向第二电容充电；第一电感、第二电感和第四电感串联向第三电容充电；第一电感、第二电感和第三电感串联向第四电容充电；同时第二电压源与第一电感和第三电感串联向负载释放能量，故该模态下逆变器输出电压为负值。
综上情况，当第一MOS管和第二MOS管同时导通时逆变器输出电压为零，当第一MOS管导通、第二MOS管关断时逆变器输出电压为正值，当第一MOS管关断、第二MOS管导通时逆变器输出电压为负值。故设定第一MOS管和第二MOS管同时导通时的直通占空比为D，设定开关周期为Ts。并设定VL1、VL2、VL3和VL4分别为第一电感、第二电感、第三电感和第四电感两端的电压，VC1、VC2和VC3和VC4为第一电容、第二电容、第三电容和第四电容两端的电压。当逆变器进入稳态工作后，得出以下在一个开关周期(0,Ts)内不同阶段的电压关系推导过程。
工作模态1(0,0.5DTs)：第一MOS管和第二MOS管同时导通期间，对应的等效电路如图2a所示，利用基尔霍夫电压定律KVL可得如下公式：
uL1＝2Vi+VC1，uL2＝2Vi+VC2 (1)
uL3＝2Vi+VC3，uL4＝2Vi+VC4 (2)
工作模态2(0.5DTs,0.5Ts)：第一MOS管导通、第二MOS管关断期间，对应的等效电路如图2b所示，利用基尔霍夫电压定律KVL可得如下公式：
uL2+uL4＝-VC1，uL2+uL4+uL1＝-VC3 (4)
uL1+uL3＝-VC2，uL1+uL3+uL2＝-VC4 (5)
Vo,max＝Vi-uL4-uL2 (6)
化简求得
uL1＝VC1-VC3，uL2＝VC2-VC4 (7)
uL4＝VC4-VC1-VC2，uL3＝VC3-VC1-VC2 (8)
Vo,max＝Vi+VC1 (9)。
工作模态3(0.5Ts,0.5DTs+0.5Ts)：第一MOS管和第二MOS管同时导通，对应的等效电路如图2a所示，对应的电路工作机理和模态1完全相同，公式(1)、(2)、(3)依然成立。
工作模态4(0.5Ts+0.5DTs,Ts)：第一MOS管关断、第二MOS管导通期间，对应的等效电路如图2c所示，利用基尔霍夫电压定律KVL可得如下公式：
uL1＝VC1-VC3，uL2＝VC2-VC4 (10)
uL4＝VC4-VC1-VC2，uL3＝VC3-VC1-VC2 (11)
Vo,min＝-Vi-VC2 (12)。
根据以上分析，对第一电感、第二电感、第三电感和第四电感分别运用伏秒平衡原理原理即电感电压在一个开关周期内的平均值为零，联立式(1)、(2)、(7)、(8)、(10)和(11)可得稳态时电容电压和输出电压的表达式分别为：
因此本发明半桥逆变器的升压因子B(Boost Factor)为:
如图3a所示为本实例电路的升压因子曲线与混合拓展准Z源逆变器、开关电感Z源逆变器、基于二极管二级拓展的准Z源逆变器和传统Z源逆变器的升压因子曲线比较图，由该图可知，本发明电路在占空比D不超过0.293的情况下，升压因子B就可以达到很大，明显高于其他逆变器拓扑结构的升压因子，且本发明电路的占空比D不会超过0.293。
如图3b所示，以Vi＝10V，直通占空比D＝0.2为例，给出了本发明电路直流侧和交流侧相关变量的仿真结果。D＝0.2时，升压因子B＝3.57，电容电压VC1＝VC2＝25.7V，VC3＝VC4＝37.1V，输出电压Vo＝35.7V。此外，图3b中还给出了电感电流(iL1、iL3)的波形以及第一MOS管和第二MOS管的驱动脉冲波形(VGS1、VGS2)，其中第一电感电流iL1和第二电感电流iL2相等，第三电感电流iL3和第四电感电流iL4相等。
综上所述，本发明提出的一种新型高增益Z源半桥逆变器允许逆变桥臂直通，因此不存在因电磁干扰引起桥臂误直通而损坏开关管的问题，故其具有更高的可靠性。此外，通过控制第一MOS管和第二MOS管的直通占空比，可以实现该半桥逆变器升压或降压，与其它高增益的Z源逆变电路相比，其具有更高的输出电压增益，且电路不存在启动冲击电流和开关管开通瞬间的冲击电流。
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。

Claims (3)

1.一种新型高增益Z源半桥逆变器电路，其特征在于包括两个相同的第一电压源(Vi1)和第二电压源(Vi2)、第一MOS管(S1)、第二MOS管(S2)、高增益的Z源阻抗网络和负载电阻(RL)；所述高增益的Z源阻抗网络由第一电感(L1)、第二电感(L2)、第三电感(L3)、第四电感(L4)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)和第五二极管(Da)及第六二极管(Db)构成；所述第一电压源(Vi1)的正极与第一MOS管(S1)的漏极连接；所述第一MOS管(S1)的源极分别与第二二极管(D2)的阳极、第四电感(L4)的一端、第一电容(C1)的负极和第三电容(C3)的负极连接；所述第四电感(L4)的另一端分别与第四二极管(D4)的阳极和第四电容(C4)的负极连接；所述第四二极管(D4)的阴极分别与第二二极管(D2)的阴极、第二电感(L2)的一端连接；所述第二电感(L2)的另一端分别与第二电容(C2)的负极和第五二极管(Da)的阳极连接；所述第五二极管(Da)的阴极分别与负载电阻(RL)的一端和第六二极管(Db)的阳极连接；所述第六二极管(Db)的阴极分别与第一电容(C1)的正极和第一电感(L1)的一端连接；所述第一电感(L1)的另一端分别与第一二极管(D1)的阳极和第三二极管(D3)的阳极连接；所述第三二极管(D3)的阴极分别与第三电容(C3)的正极和第三电感(L3)的一端连接；所述第三电感(L3)的另一端分别与第二电容(C2)的正极、第四电容(C4)的正极、第一二极管(D1)的阴极和第二MOS管(S2)的漏极连接；所述第二MOS管(S2)的源极与第二电压源(Vi2)的负极连接；所述负载电阻(RL)的另一端分别与第一电压源(Vi1)的负极和第二电压源(Vi2)的正极连接。
2.根据权利要求1所述的一种新型高增益Z源半桥逆变器电路，其特征在于当第一MOS管(S1)和第二MOS管(S2)同时导通时，所述第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(Da)和第六二极管(Db)均关断，第一电压源(Vi1)和第二电压源(Vi2)与第一电容(C1)串联对第一电感(L1)充电；第一电压源(Vi1)和第二电压源(Vi2)与第二电容(C2)串联对第二电感(L2)充电；第一电压源(Vi1)和第二电压源(Vi2)与第三电容(C3)串联对第三电感(L3)充电；第一电压源(Vi1)和第二电压源(Vi2)与第四电容(C4)串联对第四电感(L4)充电；当第一MOS管(S1)导通，第二MOS管(S2)关断时，所述第一二极管(D1)、第二二极管(D2)关断，第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(Da)和第六二极管(Db)均导通，所述第二电感(L2)和第四电感(L4)串联向第一电容(C1)充电；第一电感(L1)和第三电感(L3)串联向第二电容(C2)充电；第一电感(L1)、第二电感(L2)和第四电感(L4)串联向第三电容(C3)充电；第一电感(L1)、第二电感(L2)和第三电感(L3)串联向第四电容(C4)充电；同时第一电压源(Vi1)与第二电感(L2)和第四电感(L4)串联向负载释放能量，此时对应的输出电压为正值；当第一MOS管(S1)关断，第二MOS管(S2)导通时，所述第一二极管(D1)、第二二极管(D2)关断，第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(Da)和第六二极管(Db)均导通，所述第二电感(L2)和第四电感(L4)串联向第一电容(C1)充电；第一电感(L1)和第三电感(L3)串联向第二电容(C2)充电；第一电感(L1)、第二电感(L2)和第四电感(L4)串联向第三电容(C3)充电；第一电感(L1)、第二电感(L2)和第三电感(L3)串联向第四电容(C4)充电；同时第二电压源(Vi2)与第一电感(L1)和第三电感(L3)串联向负载释放能量，此时对应的输出电压为负值。
3.根据权利要求1所述的一种新型高增益Z源半桥逆变器电路，其特征在于该半桥逆变器的升压因子B为:
其中D为第一MOS管和第二MOS管同时导通时的直通占空比。
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