CN101499733A - 一种z源半桥逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种Z源半桥逆变器，包括直流电压源和由两个储能电容与两个开关管构成的半桥逆变器，其还包括二极管(D)和Z源阻抗，Z源阻抗并联在该半桥逆变器的两逆变桥臂、直流电压源两端之间，二极管(D)用于阻断该Z源阻抗的电流倒流回所述电压源。Z源阻抗的存在避免了因第一开关管和第二开关管直通而遭到损毁，当第一开关管和第二开关管同时导通时起到升压的作用。通过控制第一开关管和第二开关管的占空比可以实现逆变器降压或升压，并实现输出正、负脉冲波形的幅值对称或不对称。本发明涉及的Z源半桥逆变器具有高可靠性、宽输出电压范围和丰富的输出交流脉冲波形，特别适合用于电解、电镀等电化学电源装置。

Description

一种Z源半桥逆变器

技术领域

本发明涉及半桥逆变器技术领域，具体涉及一种Z源半桥逆变器。

背景技术

常规的半桥逆变器如图1所示，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，如图2a和图2b所示。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。

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Z源半桥逆变器。本发明的Z源半桥逆变器特别适用于电解、电镀等电化学电源装置，用于产生幅值和宽度对称或不对称的交流脉冲波形。本发明通过如下技术方案实现：

一种Z源半桥逆变器，包括直流电压源和由两个储能电容与两个开关管构成的半桥逆变器，其特征在于还包括二极管(D)和Z源阻抗，Z源阻抗并联在该半桥逆变器的逆变桥臂、直流电压源两端之间，二极管(D)用于阻断该Z源阻抗的电流倒流回所述电压源。

上述Z源半桥逆变器中，所述半桥逆变器由第一电容(C_d1)、第二电容(C_d2)、第一开关管(S₁)、和第二开关管(S₂)构成，所述Z源阻抗由第三电容(C₁)、第四电容(C₂)、第一电感(L₁)、第二电感(L₂)构成；第一电感(L₁)的一端与第四电容(C₂)的一端和第一开关管(S₁)的漏极连接，第二电感(L₂)的一端与第三电容(C₁)的一端和第二开关管(S₂)的源极连接；第二电感(L₂)的另一端、第四电容(C₂)的另一端与第二电容(C_d2)的一端连接；第一电感(L₁)的另一端、第三电容(C₁)的另一端与二极管(D)的阴极连接，第一电容(C_d1)的一端和直流电压源正极并接于二极管(D)的阳极，第二电容(C_d2)的一端和负载的一端并接于第一电容(C_d1)的另一端，第二电容(C_d2)的另一端与第二电感(L₂)的一端、第四电容(C₂)的一端和直流电源的负极连接；第一开关管(S₁)的源极与第二开关管(S₂)的漏极连接，然后再与负载的另一端连接。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明是在半桥逆变器的逆变桥臂与储能电容、直流电压源之间并联Z源阻抗而得。该变换器利用Z源阻抗中电感电流不能突变的特性，抑制因逆变桥臂直通时引起的电流突变，从而有效的控制逆变桥臂的电流在开关管的安全工作范围内。由于该Z源半桥逆变器的逆变桥臂可以直通，Z源阻抗与逆变桥臂构成升压环节，因此不存在因逆变桥臂直通而导致开关管损毁的问题，该Z源半桥逆变器具有高可靠性。通过控制逆变桥臂上、下开关管的占空比可以实现逆变器降压或升压，并实现输出正、负脉冲波形的幅值对称或不对称。

附图说明

图1为现有常规的半桥逆变器连接图。

图2a为现有的在逆变器前级加入升压环节的半桥逆变器连接图。

图2b为现有的在输出端接变压器进行升压半桥逆变器连接图。

图3是本发明具体实施方式中Z源半桥逆变器的电路实例图。

图4a～图4c是图3所示Z源半桥逆变器的工作过程图，其中，图4a为第一开关管S₁和第二开关管S₂均导通时的工作过程示意图；图4b为第一开关管S₁导通、第二开关管S₂关断时的工作过程示意图；图4c为第一开关管S₁关断、第二开关管S₂导通时的工作过程示意图。

图5是本实施方式中Z源半桥逆变器的主要工作波形，其中，图5a为第一开关管S₁的导通时间为0.5T(T为工作周期)时的工作波形；图5b为第二开关管S₂的导通时间为0.5T时的工作波形。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施作进一步描述。

参考图3，电容C_d1、C_d2，开关管S₁、S₂，构成常规半桥逆变器。电容C₁、C₂，电感L₁、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。电感L₁的一端与电容C₂的一端连接，然后再与开关管S₁的漏极连接。电感L₂的一端与电容C₁的一端连接，然后再与开关管S₂的源极连接。电感L₂的另一端与电容C₂的另一端连接，然后再与电容C_d2的一端和直流电源V_d的负极连接。电感L₁的另一端和电容C₁的另一端连接，然后再与二极管D的阴极连接。电容C_d1的一端与二极管D的阳极连接，然后再与直流电源正极连接。电容C_d1的另一端与电容C_d2的另一端连接，然后再与负载的一端连接。开关管S₁的源极与S₂的漏极连接，然后再与负载的另一端连接。L₁＝L₂，C₁＝C₂，C_d1＝C_d2。

图4给出了本发明的电路工作过程，图5给出本发明的主要工作波形。电路稳态工作时，在一个开关周期内，本发明的工作过程如下：

令开关周期为T，S₁的占空比为D₁，S₂的占空比为D₂，D₁+D₂≥1，S₁关断后S₂立即开通(不考虑死区时间)。

阶段1：图5a和图5b的t₀～t₁阶段，如图4a，开关管S₁和S₂同时导通，此阶段时间为(D₂+D₁-1)T。电容C₁和C₂分别通过电感L₁和L₂放电，电流i_L1和i_L2线性上升，电感L₁和L₂储能，电感L₁承受的电压V_L1＝V_C1，电感L₂承受的电压V_L2＝V_C2。二极管D因承受(V_C1+V_C2-V_d)反压而截止。电容C₂上的能量通过C₂-R_L-C_d2回路传递给负载R_L与C_d2，V_Cd2上升，V_Cd1下降。逆变器输出电压为V_O＝V_C2-V_Cd2。

阶段2：图5a和图5b的t₁～t₂阶段，如图4b，开关管S₁导通，S₂关断，此阶段时间为(1-D₂)T。二极管D导通续流。电源V_d和电感L₁上的储能对电容C₁进行充电，V_C1上升。电源V_d和电感L₂上的储能对电容C₂进行充电，V_C2上升。电容C₂上的能量通过C₂-R_L-C_d2回路传递给负载R_L与C_d2，V_Cd2上升，V_Cd1下降。逆变器输出电压为V_O＝V_C2-V_Cd2。

阶段3：图5a和图5b的t₂～t₃阶段，如图4c，开关管S₁关断，S₂导通，此阶段时间为(1-D₁)T。二极管D导通续流。电源V_d和电感L₁上的储能对电容C₁进行充电，V_C1上升。电源V_d和电感L₂上的储能对电容C₂进行充电，V_C2上升。电感L₂和电容C_d2上的储能通过L₂-C_d2-R_L回路传递给负载R_L，V_Cd2下降，V_Cd1上升。逆变器输出电压为V_O＝-(V_Cd2+V_C1-V_d)。

在一个开关周期中，根据电感L₁的伏-秒数守恒，得 ${\∫}_0^T{V}_{L1}\mathrm{dt}=0,$ 即 ${\∫}_T^{(D_2+D_1-1)T}{V}_{C1}\mathrm{dt}+{\∫}_0^{(1-D_2)T}(V_d-V_{C2})\mathrm{dt}+{\∫}_0^{(1-D_1)T}(V_d-V_{C2})\mathrm{dt}=0,$ 由此得

$V_{C2}=\frac{2-D_1-D_2}{3-2(D_1+D_2)}{V}_d---\left(1\right)$

根据电容C_d2的安-秒数守恒，得

$\frac{(V_{C2}-V_{\mathrm{Cd}2})}{R_L}{D}_{1}T+\frac{-(V_{\mathrm{Cd}2}+V_{C2}-V_d)}{R_L}(1-D_1)T=0,$ 即

V_Cd2＝(2V_C2-V_d)D₁-V_C2+V_d         (2)

t₀～t₂阶段，即开关管S₁导通时，逆变器输出电压为：

$V_O=V_{C2}-V_{\mathrm{Cd}2}=\frac{(1-D_1)}{3-2(D_1+D_2)}{V}_d---\left(3\right)$

t₂～t₃阶段，即开关管S₂导通，S₁关断时，逆变器输出电压为：

$V_O=V_d-V_{\mathrm{Cd}2}-V_{C2}=-\frac{D_1}{3-2(D_1+D_2)}{V}_d---\left(4\right)$

由公式(3)和(4)可知，当开关管S₁导通时，输出电压脉冲为正值，输出电压的正脉冲宽度等于S₁的导通时间，且正脉冲幅值为

当S₁关断，S₂导通时，输出电压脉冲为负值，输出电压的负脉冲宽度等于只有S₂导通(S1关断)的时间，且负脉冲幅值为

综上所述，可得本发明的新型Z源半桥逆变器的以下特性：

当D₁＝0.5，且D₂≥0.5时，输出电压的正脉冲与负脉冲对称，而且当D₂>0.5时，输出电压的正、负脉冲幅值大于V_d/2，甚至大于V_d，具有升压作用。

当D₂＝0.5，且D₁>0.5时，输出电压的正脉冲与负脉冲不对称，输出电压的正脉冲幅值等于V_d/2，正脉冲宽度与D₁T一致。负脉冲幅值大于V_d/2，甚至大于V_d，具有升压作用。

本发明的Z源半桥逆变器的逆变桥臂可以直通，因此不存在因逆变桥臂直通而导致开关管损毁的问题，该Z源半桥逆变器具有高可靠性。通过控制开关管S₁和S₂的占空比可以实现Z源半桥逆变器降压或升压，并实现输出正、负脉冲波形的幅值对称或不对称，具有宽输出电压范围和丰富的输出交流脉冲波形。

Claims (2)

1、一种Z源半桥逆变器，包括直流电压源和由两个储能电容与两个开关管构成的半桥逆变器，其特征在于还包括二极管(D)和Z源阻抗，Z源阻抗并联在该半桥逆变器的逆变桥臂、直流电压源两端之间，二极管(D)用于阻断该Z源阻抗的电流倒流回所述电压源。

2、根据权利要求1所述的一种Z源半桥逆变器，其特征在于所述半桥逆变器由第一电容(C_d1)、第二电容(C_d2)、第一开关管(S₁)、和第二开关管(S₂)构成，所述Z源阻抗由第三电容(C₁)、第四电容(C₂)、第一电感(L₁)、第二电感(L₂)构成；第一电感(L₁)的一端与第四电容(C₂)的一端和第一开关管(S₁)的漏极连接，第二电感(L₂)的一端与第三电容(C₁)的一端和第二开关管(S₂)的源极连接；第二电感(L₂)的另一端、第四电容(C₂)的另一端与第二电容(C_d2)的一端连接；第一电感(L₁)的另一端、第三电容(C₁)的另一端与二极管(D)的阴极连接，第一电容(C_d1)的一端和直流电压源正极并接于二极管(D)的阳极，第二电容(C_d2)的一端和负载的一端并接于第一电容(C_d1)的另一端，第二电容(C_d2)的另一端与第二电感(L₂)的一端、第四电容(C₂)的一端和直流电源的负极连接；第一开关管(S₁)的源极与第二开关管(S₂)的漏极连接，然后再与负载的另一端连接。

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