專利名稱：一種z源半橋逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半橋逆變器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種z源半橋逆變器。
背景技術(shù)：
常規(guī)的半橋逆變器如圖1所示，逆變橋臂直接與直流電壓源并聯(lián)，當(dāng)逆變橋臂的上、下開關(guān)管因誤觸發(fā)而直通時(shí)，會(huì)流過非常大的電流而使開關(guān)管損毀。而且，這類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，如圖2a和圖2b所示。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)開關(guān)管，這增加了功率傳遞中的開關(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。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種Z源半橋逆變器。本發(fā)明的Z源半橋逆變器特別適用于電解、電鍍等電化學(xué)電源裝置，用于產(chǎn)生幅值和寬度對(duì)稱或不對(duì)稱的交流脈沖波形。本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
一種Z源半橋逆變器，包括直流電壓源和由兩個(gè)儲(chǔ)能電容與兩個(gè)開關(guān)管構(gòu)
成的半橋逆變器，其特征在于還包括二極管(Z))和z源阻抗，z源阻抗并聯(lián)在該半橋逆變器的逆變橋臂、直流電壓源兩端之間，二極管(D)用于阻斷 該Z源阻抗的電流倒流回所述電壓源。
上述z源半橋逆變器中，所述半橋逆變器由第一電容(cdl)、第二電容 (cd2)、第一開關(guān)管(&)、和第二開關(guān)管(&)構(gòu)成，所述z源阻抗由第三電
容(d)、第四電容(C2)、第一電感(A)、第二電感(L2)構(gòu)成；第一電感
a。的一端與第四電容(c2)的一端和第一開關(guān)管(&)的漏極連接，第二 電感a2)的一端與第三電容(d)的一端和第二開關(guān)管(&)的源極連接； 第二電感(丄2)的另一端、第四電容(c2)的另一端與第二電容(cd2)的一
端連接；第一電感(")的另一端、第三電容(d)的另一端與二極管(D) 的陰極連接，第一電容(Cdl)的一端和直流電壓源正極并接于二極管(D)的
陽極，第二電容(cd2)的一端和負(fù)載的一端并接于第一電容(cdl)的另一端，
第二電容(Cd2)的另一端與第二電感(￡2)的一端、第四電容(c2)的一端 和直流電源的負(fù)極連接；第一開關(guān)管(&)的源極與第二開關(guān)管(&)的漏極 連接，然后再與負(fù)載的另一端連接。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明是在半橋逆變器的逆變橋 臂與儲(chǔ)能電容、直流電壓源之間并聯(lián)Z源阻抗而得。該變換器利用Z源阻抗 中電感電流不能突變的特性，抑制因逆變橋臂直通時(shí)引起的電流突變，從而有 效的控制逆變橋臂的電流在開關(guān)管的安全工作范圍內(nèi)。由于該Z源半橋逆變器 的逆變橋臂可以直通，Z源阻抗與逆變橋臂構(gòu)成升壓環(huán)節(jié)，因此不存在因逆變
橋臂直通而導(dǎo)致開關(guān)管損毀的問題，該z源半橋逆變器具有高可靠性。通過控制逆變橋臂上、下開關(guān)管的占空比可以實(shí)現(xiàn)逆變器降壓或升壓，并實(shí)現(xiàn)輸出正、
負(fù)脈沖波形的幅值對(duì)稱或不對(duì)稱。
圖1為現(xiàn)有常規(guī)的半橋逆變器連接圖。
圖2a為現(xiàn)有的在逆變器前級(jí)加入升壓環(huán)節(jié)的半橋逆變器連接圖。圖2b為現(xiàn)有的在il出端接變壓器進(jìn)行升壓半橋逆變器連接圖。圖3是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中Z源半橋逆變器的電路實(shí)例圖。圖4a 圖4c是圖3所示Z源半橋逆變器的工作過程圖，其中，
圖4a為第一開關(guān)管^和第二開關(guān)管&均導(dǎo)通時(shí)的工作過程示意圖；圖4b為
第一開關(guān)管&導(dǎo)通、第二開關(guān)管&關(guān)斷時(shí)的工作過程示意圖；圖4c為第一開
關(guān)管&關(guān)斷、第二開關(guān)管&導(dǎo)通時(shí)的工作過程示意圖。
圖5是本實(shí)施方式中Z源半橋逆變器的主要工作波形，其中，
圖5a為第一開關(guān)管&的導(dǎo)通時(shí)間為o.5r (r為工作周期)時(shí)的工作波形；圖
5b為第二開關(guān)管&的導(dǎo)通時(shí)間為0.5r時(shí)的工作波形。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施作進(jìn)一步描述。
參考圖3，電容Cdh Cd2，開關(guān)管&、 &，構(gòu)成常規(guī)半橋逆變器。電容d、C2，電感A、丄2，構(gòu)成Z源阻抗。二極管D，用于阻斷Z源阻抗的電流倒流回電源。電感A的一端與電容C2的一端連接，然后再與開關(guān)管&的漏極連接。電感"的一端與電容d的一端連接，然后再與開關(guān)管&的源極連接。電感丄2的另一端與電容C2的另一端連接，然后再與電容Cd2的一端和直流電源& 的負(fù)極連接。電感&的另一端和電容G的另一端連接，然后再與二極管Z)的 陰極連接。電容C^的一端與二極管D的陽極連接，然后再與直流電源正極連
接。電容Qn的另一端與電容Cd2的另一端連接，然后再與負(fù)載的一端連接。 開關(guān)管&的源極與&的漏極連接，然后再與負(fù)載的另一端連接。^=丄2， d=C2，
Cdl:Cd2。
圖4給出了本發(fā)明的電路工作過程，圖5給出本發(fā)明的主要工作波形。電
路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，本發(fā)明的工作過程如下
令開關(guān)周期為r，《的占空比為Dp A的占空比為D2， DrHD》1， &關(guān) 斷后&立即開通(不考慮死區(qū)時(shí)間)。
階段l:圖5a和圖5b的t(r^階段，如圖4a，開關(guān)管&和&同時(shí)導(dǎo)通， 此階段時(shí)間為(D2+D「l)r。電容C,和C2分別通過電感^和丄2放電，電流/￡1 和&線性上升，電感^和L2儲(chǔ)能，電感^承受的電壓^產(chǎn)l^，電感"承受
的電壓^尸F(xiàn)c2。
二極管Z)因承受(Fd+Fc2-^)反壓而截止。電容C2上的能量
通過C2-^-C^回路傳遞給負(fù)載A與(^, Fo^上升，K^下降。逆變器輸出電
壓為Fc2-Fo/2。
階段2:圖5a和圖5b的t廣t2階段，如圖4b，開關(guān)管&導(dǎo)通，&關(guān)斷， 此階段時(shí)間為(1-D2)r。 二極管D導(dǎo)通續(xù)流。電源^和電感^上的儲(chǔ)能對(duì)電容
G進(jìn)行充電，F(xiàn)d上升。電源^和電感丄2上的儲(chǔ)能對(duì)電容C2進(jìn)行充電，KQ
上升。電容C2上的能量通過C2-i^-C^回路傳遞給負(fù)載A與C^， Fofi上升，F(xiàn)an下降。逆變器輸出電壓為Fc= ^C2-P^2。
階段3:圖5a和圖5b的t廣t3階段，如圖4c，開關(guān)管&關(guān)斷，&導(dǎo)通，此階段時(shí)間為(1-D0r。 二極管Z)導(dǎo)通續(xù)流。電源^和電感^上的儲(chǔ)能對(duì)電容G進(jìn)行充電，F(xiàn)d上升。電源Fd和電感丄2上的儲(chǔ)能對(duì)電容G進(jìn)行充電，F(xiàn)a上升。電感丄2和電容&上的儲(chǔ)能通過A-Q-i^回路傳遞給負(fù)載A， 下降，Pan上升。逆變器輸出電壓為F^-(FoG+Fa-^)。
在一個(gè)開關(guān)周期中，根據(jù)電感A的伏-秒數(shù)守恒，得{>1一 = 0，即f2+A_1)Va&+ frC2)^+ f，^—^)& = 0，由此得
_ 2-A-"2 「C2 3 —2(D1+JD2) d
根據(jù)電容Cc的安-秒數(shù)守恒，得
(^2 _ ) D, + -(^2 + F。_ ^ ) (1 _ A )r = 0 ，艮口
to t2階段，即開關(guān)管&導(dǎo)通時(shí)，逆變器輸出電壓為
0C2Cd2 3 —2(Z)1+D2) rf
(1)
(2)
(3)
J/ =JZ 一「 =__5_「
。dCrf2C2 3 —2(D1+A)
t2 t3階段，即開關(guān)管&導(dǎo)通，&關(guān)斷時(shí)，逆變器輸出電壓為
(4)
由公式(3)和(4)可知，當(dāng)開關(guān)管&導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓脈沖為正值，輸出電壓的正脈沖寬度等于&的導(dǎo)通時(shí)間，且正脈沖幅值為(1,—A) 、^。
當(dāng)&關(guān)斷，&導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓脈沖為負(fù)值，輸出電壓的負(fù)脈沖寬度等于只有&導(dǎo)通(S1關(guān)斷)的時(shí)間，且負(fù)脈沖幅值為7^~~^d。
綜上所述，可得本發(fā)明的新型Z源半橋逆變器的以下特性-
當(dāng)D產(chǎn)0.5，且Dp0.5時(shí)，輸出電壓的正脈沖與負(fù)脈沖對(duì)稱，而且當(dāng)D2>0.5時(shí)，輸出電壓的正、負(fù)脈沖幅值大于^/2，甚至大于^，具有升壓作用。
當(dāng)D產(chǎn)0.5，且D戶0.5時(shí)，輸出電壓的正脈沖與負(fù)脈沖不對(duì)稱，輸出電壓的正脈沖幅值等于PV2，正脈沖寬度與D^—致。負(fù)脈沖幅值大于K乂2，甚至大于^，具有升壓作用。
本發(fā)明的Z源半橋逆變器的逆變橋臂可以直通，因此不存在因逆變橋臂直通而導(dǎo)致開關(guān)管損毀的問題，該Z源半橋逆變器具有高可靠性。通過控制開關(guān)管&和&的占空比可以實(shí)現(xiàn)Z源半橋逆變器降壓或升壓，并實(shí)現(xiàn)輸出正、負(fù)脈沖波形的幅值對(duì)稱或不對(duì)稱，具有寬輸出電壓范圍和豐富的輸出交流脈沖波形。
8
權(quán)利要求
1、一種Z源半橋逆變器，包括直流電壓源和由兩個(gè)儲(chǔ)能電容與兩個(gè)開關(guān)管構(gòu)成的半橋逆變器，其特征在于還包括二極管(D)和Z源阻抗，Z源阻抗并聯(lián)在該半橋逆變器的逆變橋臂、直流電壓源兩端之間，二極管(D)用于阻斷該Z源阻抗的電流倒流回所述電壓源。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Z源半橋逆變器，其特征在于所述半橋逆 變器由第一電容(Cdl)、第二電容(Cd2)、第一開關(guān)管(&)、和第二開關(guān)管(&) 構(gòu)成，所述Z源阻抗由第三電容(d)、第四電容(C2)、第一電感(a)、第二電感a2)構(gòu)成；第一電感a》的一端與第四電容(c2)的一端和第一開 關(guān)管(&)的漏極連接，第二電感a2)的一端與第三電容(d)的一端和第 二開關(guān)管(&)的源極連接；第二電感a2)的另一端、第四電容(c2)的另 一端與第二電容(cd2)的一端連接；第一電感(a)的另一端、第三電容(d) 的另一端與二極管(d)的陰極連接，第一電容(cdl)的一端和直流電壓源正 極并接于二極管(d)的陽極，第二電容(cd2)的一端和負(fù)載的一端并接于第 一電容(cdl)的另一端，第二電容(cd2)的另一端與第二電感的一端、 第四電容(c2)的一端和直流電源的負(fù)極連接；第一開關(guān)管(&)的源極與第 二開關(guān)管(&)的漏極連接，然后再與負(fù)載的另一端連接。
全文摘要
本發(fā)明提供一種Z源半橋逆變器，包括直流電壓源和由兩個(gè)儲(chǔ)能電容與兩個(gè)開關(guān)管構(gòu)成的半橋逆變器，其還包括二極管(D)和Z源阻抗，Z源阻抗并聯(lián)在該半橋逆變器的兩逆變橋臂、直流電壓源兩端之間，二極管(D)用于阻斷該Z源阻抗的電流倒流回所述電壓源。Z源阻抗的存在避免了因第一開關(guān)管和第二開關(guān)管直通而遭到損毀，當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)管和第二開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)起到升壓的作用。通過控制第一開關(guān)管和第二開關(guān)管的占空比可以實(shí)現(xiàn)逆變器降壓或升壓，并實(shí)現(xiàn)輸出正、負(fù)脈沖波形的幅值對(duì)稱或不對(duì)稱。本發(fā)明涉及的Z源半橋逆變器具有高可靠性、寬輸出電壓范圍和豐富的輸出交流脈沖波形，特別適合用于電解、電鍍等電化學(xué)電源裝置。
文檔編號(hào)H02M7/12GK101499733SQ20091003683
公開日2009年8月5日 申請(qǐng)日期2009年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月20日
發(fā)明者波 張, 張桂東, 肖文勛 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)