CN101867297A - 用于分布式光伏发电的单相软开关高增益升压型变换器 - Google Patents

用于分布式光伏发电的单相软开关高增益升压型变换器 Download PDF

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Abstract

用于分布式光伏发电的单相软开关高增益升压型变换器，包括依次连接的工作于输入电流连续模式的单相Boost升压电路单元、变压器倍压电路单元和输出电路单元，所述工作于输入电流连续模式的单相Boost升压电路单元由一个输入滤波电感、两个功率开关管、一个并联电容和一个箝位电容构成，所述的变压器倍压电路单元由一个具有两个绕组的变压器、一个隔直电容、一个倍压电容及一个续流二极管构成，所述的输出电路单元由输出二极管、输出电容构成，所述输出电路与负载相连。本发明实现了第一、第二功率开关管的零电压开通与关断，降低了输入电流纹波，且电路结构简单，控制方便，适用于太阳能分布式发电的高效率变换场合。

Description

用于分布式光伏发电的单相软开关高增益升压型变换器
技术领域
本发明涉及一种直流-直流变换器，具体涉及一种用于分布式光伏发电的单相软开关高增益升压型变换器。
背景技术
在分布式太阳能光伏发电系统中，为了提高太阳能电池本身的发电效率，一般采用太阳能电池并联结构。然而，单块太阳能电池板的输出电压较低且变化范围较宽，而并网逆变器所需的母线电压较高，因此需要一级直流-直流变换器实现电压转换。该直流-直流变换器的输入电流为连续电流可提高光伏电池板的利用率。如何实现输入电流连续的高增益高效率的单相直流-直流变换器对于推动光伏产业的发展具有重要推动意义。
常规的单相升压型(Boost)直流-直流变换器的电压增益仅有开关管的占空比决定，难以实现大于十倍的电压增益输出。功率器件的电压应力等于输出电压，电压应力较高。而且，变换器工作在硬开关状态，开关损耗较大。为了实现Boost变换器的软开关动作，近年来，相继研究了一些通过附加有源功率开关或无源器件的软开关方案，这些电路虽然实现了软开关动作，但是不能降低开关管的电压应力，也不能实现系统的高增益变换。为了提升变换器的电压增益，一种方案是采用开关电容的方案，但这种方案所需开关管数量较多，增加了系统成本；另外的方案是采用复杂的三绕组耦合电感方案，这种方案的缺点是耦合电感结构复杂，不利于工业加工，难以保证电路的一致性。现有的采用耦合电感实现的高增益变换器，输入电流为断续模式，为了减少输入电流纹波，需采用大容量的电解电容，既增加了变换器体积，又影响了光伏发电的利用率。
发明内容
本发明为了解决现有工作在软开关状态的变换器存在成本高、结构复杂的问题，提供一种输入电流连续、所有功率器件均为软开关动作、成本低、结构简单的用于分布式光伏发电的单相软开关高增益升压型变换器。
一种用于分布式光伏发电的单相软开关高增益升压型变换器，包括依次连接的工作于输入电流连续模式的单相Boost升压电路单元、变压器倍压电路单元和输出电路单元，所述输出电路单元与负载连接，其特征在于：
所述工作于输入电流连续模式的单相Boost升压电路单元由一个输入滤波电感、两个功率开关管、一个并联电容和一个箝位电容构成，其中：
输入滤波电感的第一端与电源的正极相连，输入滤波电感的第二端与第一功率开关管的漏极及第二功率开关管的源极相连，第二功率开关管的漏极与箝位电容的第一端相连，并联电容的第一端与第一功率开关管的漏极相连，并联电容的第二端与第一功率开关管的源极和电源的负极相连；
所述的变压器倍压电路单元由一个具有两个绕组的变压器、一个隔直电容、一个倍压电容及一个续流二极管构成，其中：
变压器第一绕组的第一端与隔直电容的一端相连，隔直电容的另一端和第一功率开关管的漏极与第二功率开关管的源极相连，变压器第二绕组的一端与第二功率开关管的漏极及续流二极管的阳极相连，变压器第二绕组的另一端与倍压电容的一端相连，倍压电容的另一端与续流二极管的阴极相连；
所述的输出电路单元中，输出二极管的阳极与续流二极管的阴极相连，输出二极管的阴极与输出电容的第一端相连，输出电容的第二端与电源的负极相连。
进一步，所述箝位电容的第二端与电源负极相连。
或者，所述箝位电容的第二端与电源正极相连。
或者，所述箝位电容的第二端与输出电容的第一端相连。
进一步，所述变压器第一绕组的第二端与电源的负极相连。
或者，所述变压器第一绕组的第二端与第二功率开关管的漏极相连。
或者，所述变压器第一绕组的第二端与输出二极管的阴极相连。
本发明中的续流二极管和输出二极管中的一个或多个改成同步整流管，均能正常工作。
本发明变换器工作时，利用变压器的匝比，为变换器的电压增益调整提供了一个新的变量，可通过合理设计变压器匝比和开关管占空比来实现宽范围和大升压比调节；利用变压器的匝比调节，可降低功率器件的电压应力，大大降低了器件的导通损耗；由于并联电容的存在，实现了第一功率开关管和第二功率开关管的零电压关断；在整个开关周期中，通过控制第一功率开关管和第二功率开关管的门极脉冲，可使第一、第二功率开关管实现零电压开通。
本发明的优点，实现了变换器的高增益输出；实现了第一、第二功率开关管的零电压关断和开通；输入电流纹波较小；且结构简单，成本低，无需额外的检测电路，电路中无能量损耗元件，可提高变换器的输出增益与电路效率，且换流过程中，功率开关管关断时无电压过冲，续流二极管和输出二极管关断时无电流过冲。
附图说明
图1是本发明的第一种连接方式的电路图；
图2是本发明的第二种连接方式的电路图；
图3是本发明的第三种连接方式的电路图；
图4是本发明的第四种连接方式的电路图；
图5是本发明的第五种连接方式的电路图。
具体实施方式
实施例一
参见图1，本发明的用于分布式光伏发电的单相软开关高增益升压型变换器，包括依次连接的工作于输入电流连续模式的单相Boost升压电路单元1、变压器倍压电路单元2和输出电路单元3，
所述工作于输入电流连续模式的单相Boost升压电路单元1中，输入滤波电感Lf的第一端与电源Vin的正极相连，输入滤波电感Lf的第二端与第一功率开关管S1的漏极及第二功率开关管S2的源极相连，第二功率开关管S2的漏极与箝位电容Cc的第一端相连，并联电容Cs的第一端与第一功率开关管S1的漏极相连，并联电容Cs的第二端与第一功率开关管S1的源极和电源Vin的负极及箝位电容Cc的第二端相连；
所述变压器倍压电路单元2中，变压器第一绕组L1的第一端与隔直电容Cb的一端相连，隔直电容Cb的另一端和第一功率开关管S1的漏极与第二功率开关管S2的源极相连，变压器第一绕组L1的第二端与电源Vin的负极相连，变压器第二绕组L2的一端与第二功率开关管S2的漏极及续流二极管Dr的阳极相连，变压器第二绕组L2的另一端与倍压电容Cm的一端相连，倍压电容Cm的另一端与续流二极管Dr的阴极相连；
所述输出电路单元3中，输出二极管Do的阳极与续流二极管Dr的阴极相连，输出二极管Do的阴极与输出电容Co的第一端相连，输出电容Co的第二端与电源Vin的负极相连。
输出电容Co的电压为Vout，能量最终传递给负载Ro。
用于分布式光伏发电的单相软开关高增益升压型变换器在一个开关周期内有两种工作过程，即第一功率开关管S1关断与第二功率开关管S2开通之间的换流过程和第二功率开关管S2关断和第一功率开关管S1开通之间的换流过程。
第一功率开关管S1关断与第二功率开关管S2开通之间的换流：
换流前，电路处于第一功率开关管S1和输出二极管Do导通，第二功率开关管S2和续流二极管Dr关断的稳定工作状态。当第一功率开关管S1关断时，由于并联电容Cs的存在，第一功率开关管S1的电压从零开始以一定斜率线性上升，即第一功率开关管S1实现了零电压关断。第一功率开关管S1的电压上升到一定值时，第二功率开关管S2体内二极管开通，第二功率开关管S2体内二极管开通后，给出第二功率开关管S2的门极驱动信号，实现了第二功率开关管S2的零电压开通。在这个过程，输出二极管Do的电流由一定值以一定斜率下降到零，输出二极管Do关断。而续流二极管Dr两端的电压逐渐下降到零，续流二极管Dr导通。之后，电路进入第一功率开关管S1关断，第二功率开关管S2开通，续流二极管Dr开通和输出二极管Do关断的稳定运行状态。
第二功率开关管S2关断和第一功率开关管S1开通之间的换流：
换流前，电路处于第一功率开关管S1和输出二极管Do关断，第二功率开关管S2和续流二极管Dr导通的稳定工作状态。当第二功率开关管S2关断时，第二功率开关管S2的电压从零开始以一定斜率线性上升，即第二功率开关管S2实现了零电压关断。第一功率开关管S1的电压从一定值以一定斜率线性下降至零，第一功率开关管S1的体内二极管导通，然后给出第一功率开关管S1的门极驱动信号，实现了第一功率开关管S1的零电压开通。在这个过程中，续流二极管Dr的电流从一定值以一定斜率下降到零，续流二极管Dr关断。而输出二极管Do两端的电压逐渐下降到零，输出二极管Do导通。之后，电路进入第一功率开关管S1导通，第二功率开关管S2关断，续流二极管Dr关断和输出二极管Do导通的稳定运行状态。
实施例二
参见图2，本实施例与实施例一的不同之处在于，所述箝位电容Cc的第二端与电源Vin正极相连。其余结构和功能均相同。
实施例三
参见图3，本实施例与实施例一、二的不同之处在于，所述箝位电容Cc的第二端与输出电容Co的第一端相连。其余结构和功能均相同。
实施例四
参见图4，本实施例与实施例一的不同之处在于，变压器第一绕组L1的第二端与第二功率开关管S2的漏极相连。其余结构和功能均相同。
实施例五
参见图5，本实施例与实施例一、四的不同之处在于，变压器第一绕组L1的第二端与输出二极管Do的阴极相连。其余结构和功能均相同。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (7)

1.一种用于分布式光伏发电的单相软开关高增益升压型变换器，包括依次连接的工作于输入电流连续模式的单相Boost升压电路单元、变压器倍压电路单元和输出电路单元，所述输出电路单元与负载连接，其特征在于：
所述工作于输入电流连续模式的单相Boost升压电路单元由一个输入滤波电感、两个功率开关管、一个并联电容和一个箝位电容构成，其中：
输入滤波电感的第一端与电源的正极相连，输入滤波电感的第二端与第一功率开关管的漏极及第二功率开关管的源极相连，第二功率开关管的漏极与箝位电容的第一端相连，并联电容的第一端与第一功率开关管的漏极相连，并联电容的第二端与第一功率开关管的源极和电源的负极相连；
所述的变压器倍压电路单元由一个具有两个绕组的变压器、一个隔直电容、一个倍压电容及一个续流二极管构成，其中：
变压器第一绕组的第一端与隔直电容的一端相连，隔直电容的另一端和第一功率开关管的漏极与第二功率开关管的源极相连，变压器第二绕组的一端与第二功率开关管的漏极及续流二极管的阳极相连，变压器第二绕组的另一端与倍压电容的一端相连，倍压电容的另一端与续流二极管的阴极相连；
所述的输出电路单元中，输出二极管的阳极与续流二极管的阴极相连，输出二极管的阴极与输出电容的第一端相连，输出电容的第二端与电源的负极相连。
2.如权利要求1所述的用于分布式光伏发电的单相软开关高增益升压型变换器，其特征在于：所述箝位电容的第二端与电源负极相连。
3.如权利要求1所述的用于分布式光伏发电的单相软开关高增益升压型变换器，其特征在于：所述箝位电容的第二端与电源正极相连。
4.如权利要求1所述的用于分布式光伏发电的单相软开关高增益升压型变换器，其特征在于：所述箝位电容的第二端与输出电容的第一端相连。
5.如权利要求2～4之一所述的用于分布式光伏发电的单相软开关高增益升压型变换器，其特征在于：所述变压器第一绕组的第二端与电源的负极相连。
6.如权利要求2～4之一所述的用于分布式光伏发电的单相软开关高增益升压型变换器，其特征在于：所述变压器第一绕组的第二端与第二功率开关管的漏极相连。
7.如权利要求2～4之一所述的用于分布式光伏发电的单相软开关高增益升压型变换器，其特征在于：所述变压器第一绕组的第二端与输出二极管的阴极相连。
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