CN107359796B - 一种双输入正激型z源直流电压变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双输入正激型Z源直流电压变换器，包括第一电压源、第二电压源、第一电容、第二电容、电感、开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、负载和三绕组变压器，其中该三绕组变压器的第一绕组作为原边，第二绕组作为副边，第三绕组作为复位绕组。本发明采用正激变换器的结构，同时兼有正激变换器和Z源变换器的优点，即电路简单、成本低、可靠性高、驱动电路简单等，并且很好地实现了输入和输出侧的电压隔离，有利于设备的电气绝缘，输出侧电压电流纹波小，同时可以在低占空比实现较高的电压增益，实现了双输入。

Description

一种双输入正激型Z源直流电压变换器
技术领域
本发明涉及电力电子变换器的技术领域，尤其是指一种双输入正激型Z源直流电压变换器。
背景技术
面对日益严峻的能源危机和环境污染问题，寻找新能源来替代日益枯竭的化石能源已成为当务之急。但是，太阳能、燃料电池等新能源的输出特性往往不满足现有工业体系的电能质量要求，需要经过电能变换才能够使用。
一方面，传统的Z源变换器和准Z源变换器能够在低占空比时获得较大的输出电压，克服了Boost变换器由于极限占空比所引起的开关管和二极管电压电流尖峰等缺陷。但是，传统的Z源直流电压变换器、准Z源直流电压变换器和基于变压器的Z源直流电压变换器的输入侧和输出侧均不能实现电气隔离，在高电压增益的场合对设备的安全和绝缘保护产生不利的冲击，降低了设备的寿命和可靠性。
另一方面，传统的正激变换器属于Buck变换器的衍生拓扑，需要依托匝数比的增加来提高输出电压增益。同时，为了防止变压器的励磁电感饱和和保证在每个开关周期内变压器都能磁心复位，开关管的占空比一般小于0.5，这将进一步降低了输出电压的增益。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提供了一种双输入正激型Z源直流电压变换器，适用于需要高增益、多输入和隔离型的电力电子电路。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种双输入正激型Z源直流电压变换器，包括第一电压源、第二电压源、第一电容、第二电容、电感、开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、负载和三绕组变压器；所述三绕组变压器的第一绕组作为原边，第二绕组作为副边，第三绕组作为复位绕组；所述第一电压源的正极分别与第二电压源的负极、第一电容的负极连接；所述第一电压源的负极和开关管的源极连接；所述第二电压源的正极和第一二极管的阳极连接；所述开关管的漏极和第一绕组的异名端连接；所述第一二极管的阴极和第三绕组的同名端连接；所述第一电容的正极分别与第一绕组的同名端和第三绕组的异名端连接；所述第二绕组的同名端与第二二极管的阳极连接，其异名端分别与第三二极管的阳极、第二电容的负极和负载的一端连接；所述第二二极管的阴极分别与第三二极管的阴极和电感的一端连接；所述电感的另一端分别与第二电容的正极和负载的另一端连接；
其中，在单个输入的情况下，所述Z源直流电压变换器只需要一个电源，其他电源短接或输入值为零，即第一电压源和第二电压源保留任意一个电源作为输入，而其他电源短接或输入值为零；在双输入的情况下，所述Z源直流电压变换器的第一电压源和第二电压源均保留。
所述第一电压源、开关管和第一绕组依次串联构成一个支路，在同一个支路内，第一电压源、开关管和第一绕组的位置能够交换；所述第二电压源、第一二极管和第三绕组依次串联构成一个支路，在同一个支路内，第二电压源、第一二极管和第三绕组的位置能够交换。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明采用正激变换器的结构，同时兼有正激变换器和Z源变换器的优点，具体为电路简单、成本低、可靠性高、驱动电路简单等。
2、实现了输入和输出侧的电压隔离，有利于设备的电气绝缘，同时输出侧电压电流纹波小。
3、可以在低占空比实现较高的电压增益，实现了双输入。
附图说明
图1是本发明所述双输入正激型Z源直流电压变换器的电路图。
图2a、图2b分别是本发明所述的双输入正激型Z源直流电压变换器在开关管S导通和关断中两个主要阶段的等效电路图。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。
图3是本发明电路的仿真主要工作波形图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图1所示，本实施例所提供的双输入正激型Z源直流电压变换器，包括第一电压源Vi1、第二电压源Vi2、第一电容C1、第二电容C2、电感L、开关管S、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、负载R和三绕组变压器T，该三绕组变压器T的第一绕组W1作为原边，第二绕组W2作为副边，第三绕组W3作为复位绕组。所述第一电压源Vi1的正极分别与第二电压源Vi2的负极、第一电容C1的负极连接；所述第一电压源Vi1的负极和开关管S的源极连接；所述第二电压源Vi2的正极和第一二极管D1的阳极连接；所述开关管S的漏极和第一绕组W1的异名端连接；所述第一二极管D1的阴极和第三绕组W3的同名端连接；所述第一电容C1的正极分别与第一绕组W1的同名端和第三绕组W3的异名端连接；所述第二绕组W2的同名端与第二二极管D2的阳极连接，其异名端分别与第三二极管D3的阳极、第二电容C2的负极和负载R的一端连接；所述第二二极管D2的阴极分别与第三二极管D3的阴极和电感L的一端连接；所述电感L的另一端分别与第二电容C2的正极和负载R的另一端连接。
其中，在单个输入的情况下，所述Z源直流电压变换器只需要一个电源，其他电源短接或输入值为零，即第一电压源Vi1和第二电压源Vi2保留任意一个电源作为输入，而其他电源短接或输入值为零；在双输入的情况下，所述Z源直流电压变换器的第一电压源Vi1和第二电压源Vi2均保留。所述第一电压源Vi1、开关管S和第一绕组W1依次串联构成一个支路，在同一个支路内，第一电压源Vi1、开关管S和第一绕组W1的位置能够交换；所述第二电压源Vi2、第一二极管D1和第三绕组W3依次串联构成一个支路，在同一个支路内，第二电压源Vi2、第一二极管D1和第三绕组W3的位置能够交换。
开关管S导通时，第一电压源Vi1和第一电容C1为第一绕组W1供电；第二绕组W2通过第二二极管D2对电感L充电，同时对第二电容C2充电，为负载R供电。开关管S关断时，第一二极管D1导通，复位绕组W3和第二电压源Vi2对第一电容C1充电；第二二极管D2承受反压关断，电感L通过第三二极管D3续流，为第二电容C2和负载R供电。本发明可以实现输入和输出侧的电气隔离，具有较大的输出电压增益。
参见图2a、图2b所示，给出了开关管S导通和关断中两个主要阶段的等效电路图。结合图2a、图2b，本实施例上述的双输入正激型Z源直流电压变换器的工作过程如下：
阶段1，如图2a：开关管S导通，此时第二二极管D2导通，第一二极管D1和第三二极管D3关断；电路中形成2个回路，分别是：第一电压源Vi1和第一电容C1为第一绕组W1供电；第二绕组W2通过第二二极管D2对电感L充电，同时为第二电容C2和负载R供电。
阶段2，如图2b：开关管S关断，此时第一二极管D1和第三二极管D3导通，第二二极管D2关断；电路中形成2个回路，分别是：复位绕组W3和第二电压源Vi2通过第一二极管D1对第一电容C1充电；电感L通过第三二极管D3续流，为第二电容C2和负载R供电。
综上情况，一个开关周期内，设开关管S的占空比为d，设变压器的励磁电感Lm、电感L和第一电容C1的电压分别为vLm、vL、vC1，设第一绕组、第二绕组、第三绕组的匝数分别为n1、n2、n3，设输出电压为Vo，得出以下电压增益的推导过程。
开关管S导通期间，对应阶段1所述的工作情形，因此有如下公式：
vLm＝vC1+Vi1 (1)
Figure BDA0001352179850000051
开关管S关断期间，对应阶段2所述的工作情形，因此有如下公式：
Figure BDA0001352179850000052
vL＝-Vo (4)
由以上分析，根据电感的伏秒特性，有，
对于励磁电感Lm：
Figure BDA0001352179850000053
对于电感L：
Figure BDA0001352179850000054
由式子(5)可得到第一电容C1电压表达式为：
Figure BDA0001352179850000055
由式子(6)可得到输出电压的表达式为：
Figure BDA0001352179850000056
由式子(8)可知，本实施例上述的双输入正激型Z源直流电压变换器的电压源的位置不会影响输出电压的增益，两个电源的电压增益均为
Figure BDA0001352179850000061
而传统的正激变换器的电压增益为
Figure BDA0001352179850000062
基于变压器的Z源变换器的电压增益为
Figure BDA0001352179850000063
在占空比d小于
Figure BDA0001352179850000064
的情况下，本发明能实现较大的电压增益，且远远超过传统的正激变换器；在原副边匝数比
Figure BDA0001352179850000065
较大的情况下，本发明的电压增益也远超过基于变压器的Z源变换器。同时，由式子(7)可知，本发明在单输入的情况下，可以根据变压器的实际匝数比来合理地选择电源的位置，从而显著的降低电容的电压应力。
在第一电压源Vi1＝1V，第二电压源Vi2＝2V，占空比d＝0.5，变压器的匝数比为n1:n2:n3＝1:4:0.5的情况下，由式子(7)和(8)得到的第一电容电压的理论分析结果为vC1＝5V，输出电压的理论分析结果为Vo＝12V。参见图3所示，图中对应参数下的仿真波形，可以看出第一电容电压的仿真结果也接近5V，输出电压的仿真结果也接近12V，从而有效验证了理论分析的正确性。可见，本发明采用正激变换器的结构，同时兼有正激变换器和Z源变换器的优点，即电路简单、成本低、可靠性高，驱动电路简单等，并且可很好地实现了输入和输出侧的电压隔离，有利于设备的电气绝缘，输出侧电压电流纹波小，同时可以在低占空比实现较高的电压增益，实现了双输入，值得推广。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种双输入正激型Z源直流电压变换器，其特征在于：所述Z源直流电压变换器包括第一电压源(Vi1)、第二电压源(Vi2)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、电感(L)、开关管(S)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、负载(R)和三绕组变压器(T)；所述三绕组变压器(T)的第一绕组(W1)作为原边，第二绕组(W2)作为副边，第三绕组(W3)作为复位绕组；所述第一电压源(Vi1)的正极分别与第二电压源(Vi2)的负极、第一电容(C1)的负极连接；所述第一电压源(Vi1)的负极和开关管(S)的源极连接；所述第二电压源(Vi2)的正极和第一二极管(D1)的阳极连接；所述开关管(S)的漏极和第一绕组(W1)的异名端连接；所述第一二极管(D1)的阴极和第三绕组(W3)的同名端连接；所述第一电容(C1)的正极分别与第一绕组(W1)的同名端和第三绕组(W3)的异名端连接；所述第二绕组(W2)的同名端与第二二极管(D2)的阳极连接，其异名端分别与第三二极管(D3)的阳极、第二电容(C2)的负极和负载(R)的一端连接；所述第二二极管(D2)的阴极分别与第三二极管(D3)的阴极和电感(L)的一端连接；所述电感(L)的另一端分别与第二电容(C2)的正极和负载(R)的另一端连接；
其中，在单个输入的情况下，所述Z源直流电压变换器只需要一个电源，其他电源短接或输入值为零，即第一电压源(Vi1)和第二电压源(Vi2)保留任意一个电源作为输入，而其他电源短接或输入值为零；在双输入的情况下，所述Z源直流电压变换器的第一电压源(Vi1)和第二电压源(Vi2)均保留。
2.根据权利要求1所述的一种双输入正激型Z源直流电压变换器，其特征在于：所述第一电压源(Vi1)、开关管(S)和第一绕组(W1)依次串联构成一个支路，在同一个支路内，第一电压源(Vi1)、开关管(S)和第一绕组(W1)的位置能够交换；所述第二电压源(Vi2)、第一二极管(D1)和第三绕组(W3)依次串联构成一个支路，在同一个支路内，第二电压源(Vi2)、第一二极管(D1)和第三绕组(W3)的位置能够交换。
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