CN103107698A - 多电平有源网络升压变换器 - Google Patents

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王挺
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Abstract

本发明涉及多电平有源网络升压变换器，属于电力电子变换器的技术领域。所述多电平有源网络升压变换器包括X型有源网络和N个输出单元。X型有源网络包括两组串联的电感和功率开关管，两个功率开关管呈X型放置。每个输出单元输出端滤波电容上的电压相等实现了多电平的输出。所述多电平有源网络升压变换器体积小但转换效率高，无需均压控制电路即可实现多电平输出。

Description

多电平有源网络升压变换器
技术领域
本发明涉及多电平有源网络升压变换器，属于电力电子变换器领域。
背景技术
升压变换器广泛应用于工业领域，如电池充放电管理器、新能源发电、电机驱动器等场合。传统的升压变换器电路拓扑为Boost电路，在输入电压较低，需要得到较高输出电压的应用场合，如单体的光伏电池电压较低，当应用于并网发电时，一般将多个光伏电池串联得到较高的电压，但多个单体电池由于工作特性的不一致，会影响整体性能，而Boost电路难以将单体的光伏电池升压到较高的母线电压。采用耦合电感Boost变换器能够提升输出电压，通过选择合适的电感匝比来实现，但耦合电感存在的漏感会造成很大的开关电压尖峰，必须外加缓冲吸收电路，如有源箝位吸收等方式，但会带来整体结构的复杂性，并且影响效率。多电平Boost变换器输出电压为Boost变换器的倍数，升压能力同样有限，并且需要通过均压电路控制电容电压的均衡，控制电路和实现复杂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了多电平有源网络升压变换器。
 本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
       多电平有源网络升压变换器，包括：依次连接的X型有源网络和N个输出单元，所述X型有源网络输入端接直流电压源，输出端依次接N个输出单元，N为大于等于2的正整数；
其中：第一输出单元为串联连接的一阶功率二极管和一阶滤波电容；
第二至第N输出单元中，每一输出单元均包括两个功率二极管、两个滤波电容，所述两个功率二极管组成一个串联支路，一个滤波电容反向并联在所述串联支路两端；另一个滤波电容正极与两个功率二极管连接点相连，负极与前一输出单元中两个功率二极管连接点相连。
 所述多电平有源网络升压变换器中，X型有源网络包括：直流电压源、第一电感、第二电感、第一功率开关管、第二功率开关管；其中：第一功率开关管的阳极、第一电感的一端分别与直流电压源正极连接，第一电感的另一端与第二功率开关管的阳极连接，第二功率开关管的阴极、第二电感的一端分别与直流电压源负极连接，第二电感的另一端与第一功率开关管的阴极连接。
 所述多电平有源网络升压变换器中，第一、第二电感为分立电感或者耦合电感。
 所述多电平有源网络升压变换器中，第一、第二功率开关管为MOS管或者IGBT管。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：变换器体积小但转换效率高，无需均压控制电路即可实现多电平输出。
附图说明
图1为三电平有源网络升压变换器的电路图。
 图2至图8为三电平有源网络升压变换器在输入电压Vi=50V, 功率开关管S1、S2占空比D=0.5，负载R=20Ω时的实验波形。
图中标号说明：Vi为直流电压源， L1为第一电感，L2为第二电感，S1、S2为第一、第二功率开关管，D1至D5为第一至第五功率二极管，C1至C5为第一至第五滤波电容，R为负载，iL1、iL2分别为第一电感L1、第二电感L2中流过的电流，VC1为第一滤波电容上的电压，VC2为第二滤波电容上的电压，VC3为第三滤波电容上的电压，VC4为第四滤波电容上的电压，VC5为第五滤波电容上的电压。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
如图1所示的三电平有源网络升压变换器，包括X型有源网络和3个电平输出单元。X型有源网络输入端接直流电压源，输出端依次接3个输出单元
X型有源网络包括：直流电压源Vi、第一电感L1、第二电感L2、第一功率开关管S1、第二功率开关管S2；其中：第一功率开关管S1的阳极、第一电感L1的一端分别与直流电压源Vi的正极连接，第一电感L1的另一端与第二功率开关管S2的阳极连接，第二功率开关管S2的阴极、第二电感L2的一端分别与直流电压源Vi的负极连接，第二电感L2的另一端与第一功率开关管S1的阴极连接。其中，第一电感和第二电感为分立电感或者耦合电感。
三个电平输出单元中：第一电平输出单元由第一功率二极管D1（即为一阶功率二极管）与第一滤波电容C1（即为一阶滤波电容）串联连接组成；第二电平输出电路包括串联连接的第二功率二极管D2、第三功率二极管D3；并联在功率二极管两端的第三滤波电容C3，第三滤波电容C3正极接第三功率二极管D3阴极，第三滤波电容C3负极接第二功率二极管D2阳极；第二滤波电容C2，第二滤波电容C2正极接第二、第三功率二极管的连接点，第二滤波电容C2负极接第一功率二极管D1阳极。第三电平输出单元包括：串联连接的第四功率二极管D4、第五功率二极管D5；并联在功率二极管两端的第五滤波电容C5，第五滤波电容C5正极接第五功率二极管D5阴极，第五滤波电容C5负极接第四功率二极管D4阳极；第四滤波电容C4，第四滤波电容C4正极接第四、第五功率二极管的连接点，第四滤波电容C4负极接第二、第三功率二极管的连接点。
第五滤波电容C5的正极和第一滤波电容C1的负极构成变换器的输出端，负载R并接在变换器的输出端。
图2至图8为输入电压Vi=50V, 功率开关管S1、S2占空比D=0.5，负载R=20Ω时功率开关管电压VS、第一电感电流iL1、第一滤波电容电压VC1、第二滤波电容电压VC2、第三滤波电容电压VC3、第四滤波电容电压VC4、第五滤波电容电压VC5的波形。从图中可以看到功率开关管关断时电压VS=100V ，说明功率开关管电压应力小。第一电感电流iL1的波形为幅值在57A至67A之间波动的三角波，可见电感电流波形波动小且电感电流值小，进而可以选择电感值小且体积小的电感，减小了升压变换器的体积。第一滤波电容电压VC1约为150V、第二滤波电容电压VC2、第三滤波电容电压VC3、第四滤波电容电压VC4、第五滤波电容电压VC5均约为200V，实现了升压变换器的多电平输出，同时由于第二至第五滤波电容上的电压均压，使得该升压变换器不需要均压控制电路。
可见，本发明所述升降压变换器无需均压控制电路即可实现多电平输出，同时在保证高转换率的前提下减小了变换器体积。
本发明所述的三电平有源网络升压变换器只是一个最佳实施例，本发明的运用绝不仅限于此，所有符合本发明思想的多电平有源网络升压变换器都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.多电平有源网络升压变换器，其特征在于包括：依次连接的X型有源网络和N个输出单元，所述X型有源网络输入端接直流电压源，输出端依次接N个输出单元，N为大于等于2的正整数；
其中：第一输出单元为串联连接的一阶功率二极管和一阶滤波电容；
第二至第N输出单元中，每一输出单元均包括两个功率二极管、两个滤波电容，所述两个功率二极管组成一个串联支路，一个滤波电容反向并联在所述串联支路两端；另一个滤波电容正极与两个功率二极管连接点相连，负极与前一输出单元中两个功率二极管连接点相连。
2.根据权利要求1所述的多电平有源网络升压变换器，其特征在于所述X型有源网络包括：直流电压源、第一电感、第二电感、第一功率开关管、第二功率开关管；其中：第一功率开关管的阳极、第一电感的一端分别与直流电压源正极连接，第一电感的另一端与第二功率开关管的阳极连接，第二功率开关管的阴极、第二电感的一端分别与直流电压源负极连接，第二电感的另一端与第一功率开关管的阴极连接。
3.根据权利要求2所述的多电平有源网络升压变换器，其特征在于所述第一、第二电感为分立电感或者耦合电感。
4.根据权利要求2或3所述的多电平有源网络升压变换器，其特征在于所述第一、第二功率开关管为MOS管或者IGBT管。
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