CN103391001B - 用于光伏逆变器mppt环节的高增益dc/dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光伏逆变器MPPT环节的高增益DCDC变换器，包括具有两个功率开关管的双管结构、直流电压源、输出功率二极管和滤波电容，直流电压源与双管结构的输入端相连接，输出功率二极管和滤波电容串联后与双管结构的输出端相连接，滤波电容为DCDC变换器的输出端，较佳的，设有耦合电感结构单元，形成耦合电感双管升压的变换模式，本发明能够将升压比提高到较高的水平，从而弥补传统Boost电路用于光伏逆变器的缺陷，且具有升压增益高，体积小，转换效率高，主功率开关管电压应力低的优点。

Description

用于光伏逆变器MPPT环节的高增益DC/DC变换器

技术领域

本发明涉及一种DC/DC变换器，具体是涉及一种用于光伏逆变器MPPT环节的高增益DC/DC变换器。

背景技术

目前，分布式光伏发电的发展和应用已成为最有效的新能源应用方式之一。分布式光伏发电系统通常包括光伏电池板和离/并网光伏逆变器，其中光伏逆变器是实现将光伏电池输出的直流电转换为交流电的主要技术环节。一般光伏逆变器内部包括最大功率追踪(MPPT)环节和直流—交流(DC/AC)逆变器环节。由于电池板单元电压较低，为了满足后级DC/AC逆变的需要，前级MPPT环节通常需要采用高增益的直流—直流(DC/DC)变换器大幅度的提升直流电压等级。

光伏逆变器为了实现最大功率追踪(MPPT)，一般前级需要采用DC/DC变换器，将变化的光伏(PV)电压变换成一种稳定的输出电压以供后级DC/AC逆变器工作，常采用的DC/DC变换器主要是降压斩波器(Buck降压电路)和升压斩波器(Boost升压电路)等。其中Boost电路因为输入电流连续，工作电压范围宽，成为MPPT环节的首选。但传统的Boost电路本身的特点决定了其占空比不能过大(一般不超过70％)，这导致Boost升压电路难以将单体的光伏电池的电压升压到较高的母线电压水平。这样，当PV电压较低时，将无法保证后级DC/AC逆变器环节的正常工作。因此，需要更高增益的DC/DC变换器应用于MPPT环节，但由此带来的较大的输入电流又要求选择低导通电阻的低压开关管以降低通态损耗，即要求开关管的电压应力低，所以如何提升变换器的电压增益同时降低开关管的电压应力，成为迫切需要解决的关键问题。

就现有技术而言，解决这一问题的方法大多是通过隔离型DC/DC变换器如推挽变换器等，这样形式的DC/DC变换器需要隔离采样、驱动，实现成本较高；此外，也有采用级联型变换器和开关电感/开关电容类变换器的，但是，级联型变换器由于需要逐级升高电压，因此结构较为复杂且效率低下，而开关电感/开关电容类变换器的增益有限，且功率开关管电压应力/电流应力较大。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种用于光伏逆变器MPPT环节的高增益DC/DC变换器，具有升压增益高，体积小，转换效率高，主功率开关管电压应力低的优点。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种用于光伏逆变器MPPT环节的高增益DC/DC变换器，包括具有两个功率开关管的双管结构、直流电压源、输出功率二极管和滤波电容，所述直流电压源与所述双管结构的输入端相连接，所述输出功率二极管和所述滤波电容串联后与所述双管结构的输出端相连接，所述滤波电容为所述DC/DC变换器的输出端，所述双管结构能够增加所述DC/DC变换器的输出电压增益的同时，降低所述功率开关管的电压应力。

作为本发明的进一步改进，所述双管结构能够增加所述DC/DC变换器的输出电压增益的同时，降低所述功率开关管的电压应力的结构是：所述双管结构包括第一电感、第二电感、第一功率开关管、第二功率开关管；其中，所述第一功率开关管的阳极、所述第一电感的一端分别与所述直流电压源的正极相连接，所述第一电感的另一端与所述第二功率开关管的阳极相连接，所述第二功率开关管的阴极、所述第二电感的一端分别与所述直流电压源的负极相连接，所述第二电感的另一端与所述第一功率开关管的阴极连接。

作为本发明的进一步改进，设有耦合电感结构单元，所述耦合电感结构单元取代所述第一电感，所述耦合电感结构单元包括：第一功率二极管、第二功率二极管和相互耦合的第三电感与第四电感；其中，所述第三电感、所述第四电感、所述第一功率二极管依次串联，来自所述直流电压源的正向电流流入所述第三电感和所述第四电感的同名端，且流入所述第一功率二极管的阳极，所述第二功率二极管的阳极接入所述第三电感和第四电感之间的连接点，所述第二功率二极管的阴极与所述第一功率二极管的阴极相连接。

作为本发明的进一步改进，所述第三电感和所述第四电感相互耦合，且正向电流同时流进所述第三电感与所述第四电感的同名端。

作为本发明的进一步改进，所述第一功率开关管为MOS管和IGBT管中的一种，所述第二功率开关管为MOS管和IGBT管中的一种。

本发明的有益效果是：本发明提供一种用于光伏逆变器MPPT环节的高增益DC/DC变换器，采用的耦合电感双管升压方案，是在传统的Boost升压电路上进行改进创新，通过耦合电感双管升压的变换模式，可以将升压比提高到较高的水平，从而弥补传统Boost升压电路用于光伏逆变器时的缺陷。此外，本发明具有升压增益高，体积小，转换效率高，主功率开关管电压应力低的优点。采用本发明技术方案，可以在电路成本和控制难度增加很小的情况下，使光伏逆变器具有更宽的MPPT范围，提高光伏逆变器配置的灵活性和应用范围。

附图说明

图1为本发明电路原理示意图；

图2为本发明在输入电压V_i＝20V，第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂的占空比D＝0.646，负载R_L＝200Ω，耦合电感匝比为1:1:2实验时，第一功率开关管电压的波形；

图3为本发明在输入电压V_i＝20V，第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂的占空比D＝0.646，负载R_L＝200Ω，耦合电感匝比为1:1:2实验时，第二功率开关管电压的波形；

图4为本发明在输入电压V_i＝20V，第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂的占空比D＝0.646，负载R_L＝200Ω，耦合电感匝比为1:1:2实验时，第三电感电流的波形；

图5为本发明在输入电压V_i＝20V，第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂的占空比D＝0.646，负载R_L＝200Ω，耦合电感匝比为1:1:2实验时，第四电感电流的波形；

图6为本发明在输入电压V_i＝20V，第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂的占空比D＝0.646，负载R_L＝200Ω，耦合电感匝比为1:1:2实验时，第二电感电流的波形；

图7为本发明在输入电压V_i＝20V，第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂的占空比D＝0.646，负载R_L＝200Ω，耦合电感匝比为1:1:2实验时，滤波电容电压的波形。

结合附图，作以下说明：

V_i——直流电压源D₀——输出功率二极管

C——滤波电容L₂——第二电感

S₁——第一功率开关管S₂——第二功率开关管

D_1a——第一功率二极管D_1b——第二功率二极管

L_1a——第三电感L_1b——第四电感

R_L——负载V_o——滤波电容电压

具体实施方式

如图1所示，一种用于光伏逆变器MPPT环节的高增益DC/DC变换器，包括具有两个功率开关管的双管结构、直流电压源V_i、输出功率二极管D₀和滤波电容C，直流电压源V_i与双管结构的输入端相连接，输出功率二极管D₀和滤波电容C串联后与双管结构的输出端相连接，滤波电容C为DC/DC变换器的输出端，负载R_L并接在滤波电容C的输出端。

优选的，双管结构包括第一电感、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、第一电感的一端分别与直流电压源V_i的正极相连接，第一电感的另一端与第二功率开关管S₂的阳极相连接，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V_i的负极相连接，第二电感L₂的另一端与第一功率开关管S₁的阴极连接。

优选的，设有耦合电感结构单元，耦合电感结构单元取代第一电感，耦合电感结构单元包括：第一功率二极管D_1a、第二功率二极管D_1b和相互耦合的第三电感L_1a与第四电感L_1b；其中，第三电感L_1a、第四电感L_1b、第一功率二极管D_1a依次串联，来自直流电压源V_i的正向电流流入第三电感L_1a和第四电感L_1b的同名端，且流入第一功率二极管D_1a的阳极，第二功率二极管D_1b的阳极接入第三电感L_1a与第四电感L_1b之间的连接点，第二功率二极管D_1b的阴极与第一功率二极管D_1a的阴极相连接。

优选的，第三电感L_1a和第四电感L_1b相互耦合，且正向电流同时流进第三电感L_1a与第四电感L_1b的同名端。

优选的，第一功率开关管S₁为MOS管和IGBT管中的一种，第二功率开关管S₂为MOS管和IGBT管中的一种。

图2、图3、图4、图5、图6和图7为输入电压V_i＝20V,第一功率开关管S₁和第二功率开关管S₂的占空比D＝0.5，负载R_L＝100Ω，耦合电感匝比为1:1:2时，第一功率开关管电压₁、第二功率开关管电压、第三电感电流、第四电感电流、第二电感电流和输出滤波电容电压的波形。从图中可以看到第一功率开关管和第二功率开关管关断时功率开关管的电压应力小，耦合电感电流波形波动小且电感电流值小，滤波电容电压(即输出电压)有较大的电压增益。因此，本发明能够增加DC/DC变换器的输出电压增益的同时，降低功率开关管的电压应力。具体实施时，可以选择电感值小且体积小的电感，且两个耦合电感电流大小相同，可以耦合在一个磁芯上进一步减小了升压变换器的体积。可见，本发明用于光伏逆变器MPPT环节的高增益DC/DC变换器具有较小的功率开关管电压应力和较大的电压增益，同时在保证高转换率的前提下减小了变换器体积。

综上所述，本发明提供一种用于光伏逆变器MPPT环节的高增益DC/DC变换器，采用的耦合电感双管升压方案，是在传统的Boost升压电路上进行改进创新，通过耦合电感双管升压的变换模式，可以将升压比提高到较高的水平，从而弥补传统Boost升压电路用于光伏逆变器时的缺陷。此外，本发明具有升压增益高，体积小，转换效率高，主功率开关管电压应力低的优点。采用本发明技术方案，可以在电路成本和控制难度增加很小的情况下，使光伏逆变器具有更宽的MPPT范围，提高光伏逆变器配置的灵活性和应用范围。

以上实施例是参照附图，对本发明的优选实施例进行详细说明。本领域的技术人员通过对上述实施例进行各种形式上的修改或变更，但不背离本发明的实质的情况下，都落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于光伏逆变器MPPT环节的高增益DC/DC变换器，其特征在于：包括具有两个功率开关管的双管结构、直流电压源（V_i）、输出功率二极管（D₀）和滤波电容（C），所述直流电压源与所述双管结构的输入端相连接，所述输出功率二极管和所述滤波电容串联后与所述双管结构的输出端相连接，所述滤波电容为所述DC/DC变换器的输出端，所述双管结构能够增加所述DC/DC变换器的输出电压增益的同时，降低所述功率开关管的电压应力，所述双管结构能够增加所述DC/DC变换器的输出电压增益的同时，降低所述功率开关管的电压应力的结构是：所述双管结构包括第一电感、第二电感（L₂）、第一功率开关管（S₁）、第二功率开关管（S₂）；其中，所述第一功率开关管的阳极、所述第一电感的一端分别与所述直流电压源的正极相连接，所述第一电感的另一端与所述第二功率开关管的阳极相连接，所述第二功率开关管的阴极、所述第二电感的一端分别与所述直流电压源的负极相连接，所述第二电感的另一端与所述第一功率开关管的阴极连接。

2.根据权利要求1所述的用于光伏逆变器MPPT环节的高增益DC/DC变换器，其特征在于：设有耦合电感结构单元，所述耦合电感结构单元取代所述第一电感，所述耦合电感结构单元包括：第一功率二极管（D_1a）、第二功率二极管（D_1b）和相互耦合的第三电感（L_1a）与第四电感（L_1b）；其中，所述第三电感、所述第四电感、所述第一功率二极管依次串联，来自所述直流电压源的正向电流流入所述第三电感和所述第四电感的同名端，且流入所述第一功率二极管的阳极，所述第二功率二极管的阳极接入所述第三电感和所述第四电感之间的连接点，所述第二功率二极管的阴极与所述第一功率二极管的阴极相连接。

3.根据权利要求2所述的用于光伏逆变器MPPT环节的高增益DC/DC变换器，其特征在于：所述第三电感和所述第四电感相互耦合，且正向电流同时流进所述第三电感与所述第四电感的同名端。

4.根据权利要求1至3任一项所述的用于光伏逆变器MPPT环节的高增益DC/DC变换器，其特征在于：所述第一功率开关管为MOS管和IGBT管中的一种，所述第二功率开关管为MOS管和IGBT管中的一种。