CN114006530A - 一种耦合式准z源直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耦合式准Z源直流变换器，包括两个独立直流电容，一个直流半桥，直流半桥由两个开关管组成，一个三绕组耦合电感。本发明利用准Z源网络里两个耦合电感的电动势的作用，实现二极管的钳位作用，移除换流回路里二极管，增加电路可靠性。利用输出端耦合电感电动势的作用，实现开关管直通时输出电感的电动势与输出端的电压源互顶，避免输出电感两端电压突变，避免输出电流的纹波过大以致失控；利用输出端耦合电感电动势的作用，在开关管互补降压工作时，电感的耦合使得输出端等效电感更大，对应输出电流纹波更小，减少了输出侧滤波器的设计，提高系统效率和功率密度。

Description

一种耦合式准Z源直流变换器

技术领域

本发明涉及电力电子领域的变流器拓扑设计，尤其涉及一种耦合式准Z源直流变换器。

背景技术

由于传统的电压源变换器和电流源变换器不能做到同时是升/降压型变换器，因此行业内提出了很多Z源变换器或者准Z源变换器拓扑结构。目前在准Z源变换器领域研究主要有：准Z源变换器的控制、准Z源变换器的增益以及准Z源变换器与其他拓扑的优势合并。

常规准Z源直流变换器，包含两个独立电感，两个独立电容，一个二极管，一个直流半桥，加一个输出独立电感。两个独立电感和两个独立电容，主要承担半桥直通与非直通时候的能量转移，达到母线电压为两个独立电容母线电压之和，实现升压，从而提升输出电压范围，兼顾同时升降压功能。

常规准Z源直流变换器仍然存在着以下问题：1，为保证换流回路，采用了钳位二极管进行单方向隔离，增加电力电子器件损耗；2，在中大功率高频电路里，钳位二极管隔离的可靠性很低；3，准Z源变换器在直流转换里，并没有针对开关管直通区间内，如何抵消输出侧电压源的影响，限制其在电流源应用领域；4，电力电子器件增多，对应电路集成的成本极高。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种耦合式准Z源直流变换器，利用准Z源网络里两个耦合电感的电动势的作用，实现二极管的换流作用，移除换流回路里二极管，增加电路可靠性。利用输出端耦合电感电动势的作用，实现开关管直通时输出电感的电动势与输出端的电压源互顶；在开关管互补降压工作时，电感的耦合使得输出端等效电感更大，对应输出电流纹波更小。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种耦合式准Z源直流变换器，包括第一直流电容C1，第二直流电容C2，上开关管Q1，下开关管Q2，三绕组耦合电感，包括第一绕组L1a，第二绕组L1b，第三绕组L1c；

第一绕组L1a的同名端与准Z源直流变换器输入侧正极连接，第一绕组L1a的另一端与第二绕组L1b的同名端、第二个直流电容C2的靠近输入侧的低压端以及第一个直流电容C1的高压端连接；第二绕组L1b的另一端与上开关管Q1的漏极、以及第二直流电容C2的高压端连接；第一个直流电容C1的低压端与输入侧负极、以及下开关管Q2的源极连接；第三绕组L1c的同名端与输出端正极连接，另一端与上开关管Q1的源极、以及下开关管Q2的漏极连接。

进一步地，所述耦合式准Z源直流变换器的开关周期为Ts，打开上开关管Q1，T1时间后，打开下开关管Q2，T2时间后关断上开关管Q1，下开关管Q2继续导通，T3时间后关断，同时打开上开关管Q1继续下一个循环。

进一步地，所述耦合式准Z源直流变换器包括两个工作模式，为半桥直通模式和半桥非直通模式。

进一步地，半桥直通模式，上开关管Q1和下开关管Q2均导通；输入电压Vin和第二直流电容C2共同给第一绕组L1a充电，第一直流电容C1给第二绕组L1b充电。

进一步地，半桥非直通模式，输入电压Vin和第一绕组L1a共同给第一直流电容C1充电，第二绕组L1b给第二直流电容C2充电。

有益效果：本发明利用准Z源网络里两个耦合电感的电动势的作用，实现二极管的换流作用，移除换流回路里二极管，增加电路可靠性。

本发明利用输出端耦合电感电动势的作用，实现开关管直通时输出电感的电动势与输出端的电压源互顶，避免输出电感两端电压突变，避免输出电流的纹波过大以致失控；利用输出端耦合电感电动势的作用，在开关管互补降压工作时，电感的耦合使得输出端等效电感更大，对应输出电流纹波更小，减少了输出侧滤波器的设计，提高系统效率和功率密度。

附图说明

图1是本发明耦合式准Z源直流变换器拓扑图；

图2是本发明半桥直通时换流回路图；

图3是本发明半桥非直通时换流回路图；

图4是本发明半桥开关时序图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示，本发明所述的耦合式准Z源直流变换器，包括两个独立直流电容，一个直流半桥，直流半桥由两个开关管组成，一个三绕组耦合电感。

具体包括第一直流电容C1，第二直流电容C2，上开关管Q1，下开关管Q2，第一绕组L1a，第二绕组L1b，第三绕组L1c。其中，L1a，L1b，L1c组成三绕组耦合电感。耦合式准Z源直流变换器的输入电压为Vin，输出电压为Vout。

三绕组耦合电感的第一绕组L1a的同名端与准Z源直流变换器的输入侧正极连接，第一绕组L1a的另一端与第二绕组L1b的同名端、第二个直流电容C2的靠近输入侧的低压端以及第一个直流电容C1的高压端连接。第二绕组L1b的另一端与直流半桥的上开关管Q1的漏极、以及第二直流电容C2的高压端连接。第一个直流电容C1的低压端与输入侧负极、以及直流半桥的下开关管Q2的源极连接。第三绕组L1c的同名端与输出端正极连接，另一端与直流半桥的上开关管Q1的源极、以及下开关管Q2的漏极连接。且，上开关管Q1，下开关管Q2的两端均并联反向二极管。

如图4所示，半桥开关时序图，系统的开关周期为Ts，首先打开上开关管Q1，T1时间后继续打开下开关管Q2，T2时间后关断上开关管Q1，下开关管Q2继续导通T3时间后关断，同时打开上开关管Q1继续下一个循环。耦合式准Z源直流变换器工作模式主要分为两个模式：半桥直通模式和半桥非直通模式。

如图2所示，半桥直通模式，此时处于T2阶段，上开关管Q1和下开关管Q2均导通。输入电压Vin和第二直流电容C2共同给第一绕组L1a充电，此时由于第二绕组L1b有耦合感应电动势，在高频下被第二直流电容C2旁路。同时，第一直流电容C1给第二绕组L1b进行充电。

第三绕组L1c由于感应电动势存在，减小了与输出电压Vout的压差，降低在直通阶段，电流传感器检测到过大电流，导致非直通阶段的控制失稳。整个回路无需二极管钳位。

如图3所示，半桥非直通模式，此时处于T1和T3阶段，T1阶段上开关管Q1导通，下开关管Q2关断；T3阶段上开关管Q1关断，下开关管Q2导通。

输入电压Vin和第一绕组L1a共同给第一直流电容C1充电，第二绕组L1b给第二直流电容C2充电。此时，对于整个半桥来说，直流母线电压由第一直流电容C1和第二直流电容C2串联支撑，从而实现了Vin和Vout之间既可以升压也可以降压工作。

本发明在两个模式切换中，实现了在半桥直通区间，L1c由于自身的感应电动势存在，保证两端压差小，从而控制稳定。在半桥非直通区间，L1c处于常规的buck模式，且由于自身耦合电感增加，可以降低输出电流纹波。在半桥直通区间，能量由Vin给L1a充电，非直通区间L1a给第一直流电容C1充电。在半桥直通区间，能量由第一直流电容C1给L1b充电，非直通区间L1b给第二直流电容C2充电。最终实现直流母线电压的提高，从而保证Vout电压既可以低于Vin，也可以高于Vin。

Claims (5)

1.一种耦合式准Z源直流变换器，其特征在于，包括第一直流电容(C1)，第二直流电容(C2)，上开关管(Q1)，下开关管(Q2)，三绕组耦合电感，包括第一绕组(L1a)，第二绕组(L1b)，第三绕组(L1c)；

第一绕组(L1a)的同名端与准Z源直流变换器输入侧正极连接，第一绕组(L1a)的另一端与第二绕组(L1b)的同名端、第二个直流电容(C2)的靠近输入侧的低压端以及第一个直流电容(C1)的高压端连接；第二绕组(L1b)的另一端与上开关管(Q1)的漏极、以及第二直流电容(C2)的高压端连接；第一个直流电容(C1)的低压端与输入侧负极、以及下开关管(Q2)的源极连接；第三绕组(L1c)的同名端与输出端正极连接，另一端与上开关管(Q1)的源极、以及下开关管(Q2)的漏极连接。

2.根据权利要求1所述的耦合式准Z源直流变换器，其特征在于，所述耦合式准Z源直流变换器的开关周期为Ts，打开上开关管(Q1)，T1时间后，打开下开关管(Q2)，T2时间后关断上开关管(Q1)，下开关管(Q2)继续导通，T3时间后关断，同时打开上开关管(Q1)继续下一个循环。

3.根据权利要求1所述的耦合式准Z源直流变换器，其特征在于，所述耦合式准Z源直流变换器包括两个工作模式，为半桥直通模式和半桥非直通模式。

4.根据权利要求1所述的耦合式准Z源直流变换器，其特征在于，半桥直通模式，上开关管(Q1)和下开关管(Q2)均导通；输入电压(Vin)和第二直流电容(C2)共同给第一绕组(L1a)充电，第一直流电容(C1)给第二绕组(L1b)充电。

5.根据权利要求1所述的耦合式准Z源直流变换器，其特征在于，半桥非直通模式，输入电压(Vin)和第一绕组(L1a)共同给第一直流电容(C1)充电，第二绕组(L1b)给第二直流电容(C2)充电。

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