CN104467414B - 一种电源-电容串联型直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电源-电容串联型直流变换器，它由若干电源-电容串联型基本直流变换器单元串联构成，所述电源-电容串联型基本直流变换器单元包括：直流电源U1，电容C1，以及直流电源U2依次串联连接，所述直流电源U1的正极和直流电源U2的负极之间串接有后级电路；所述直流电源U1两端并联有开关管SW1与电感L1串联电路；所述开关管SW1与电感L1的连接点与二极管D1的阴极相连，二极管D1的阳极接至电容C1的负极；所述直流电源U2两端并联有开关管SW2与电感L2串联电路；所述开关管SW2与电感L2的连接点与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极接至电容C1的正极。

Description

一种电源-电容串联型直流变换器

技术领域

本发明涉及一种直流变换器，尤其涉及一种电源-电容串联型直流变换器。

技术背景

21世纪以来，随着化石能源的不断消耗，人类社会正面临着前所未有的能源危机。可再生能源的利用正逐渐受到各国的重视，而光伏并网逆变技术作为可再生能源利用的重要形式，已经得到了较为深入的研究。

光伏逆变器的能量转换效率与MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点追踪)效率直接衡量光伏逆变器的效能，高能量转换率代表着更多的可再生能源得到了有效利用，带来了逆变器更低的工作温度，从而大大减小了散热器的体积，大幅减小重量、节约成本。

目前广泛应用的非隔离型光伏并网逆变器采用两级式结构，一路或多路独立的光伏阵列分别经一路或多路直流升压电路升压连接至直流母线。在直流升压电路中开关管与续流二极管的电压应力为母线电压值，导致开关损耗偏高；而且在设计直流升压电路时，硬件工程师必须选择耐压高于母线电压值的开关管与二极管，成本偏高。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种电源-电容串联型直流变换器，该电路具有升压功能，相比传统的直流升压电路，该电路在不增加电流应力的前提下，大大减小了开关管与二极管的电压应力，从而大幅减小了功率半导体器件的开关损耗。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电源-电容串联型直流变换器，由若干的电源-电容串联型基本直流变换器单元串联构成，所述电源-电容串联型基本直流变换器单元包括：直流电源U1，电容C1，以及直流电源U2依次串联连接，其中，由直流电源U1、电容C1和直流电源U2构成的串联网络为后级电路供电；

所述直流电源U1两端并联有开关管SW1与电感L1串联电路；所述开关管SW1与电感L1的连接点与二极管D1的阴极相连，二极管D1的阳极接至电容C1的负极；

所述直流电源U2两端并联有开关管SW2与电感L2串联电路；所述开关管SW2与电感L2的连接点与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极接至电容C1的正极。

所述后级电路是含有开关元件或线性元件的功率变换电路，或负载。

所述电源-电容串联型基本直流变换器单元的输出直流电压V_dc为两个直流电源电压与电容电压之和，其表达式为：

V_dc＝V_U1+V_U2+V_C1

其中，V_U1、V_U2分别为两直流电源U1、U2的电压，V_C1为电容C1的电压。

所述两直流电源U1、U2的电压和电容C1的电压，在一个开关周期其关系式为：

$\frac{V_{U1}}{L_1}\×k_{1}T=\frac{V_{C1}}{L_1}\×(1-k_1)T$

$\frac{V_{U2}}{L_2}\×k_{2}T=\frac{V_{C1}}{L_2}\×(1-k_2)T$

k₁、k₂分别为开关SW1、SW2的导通占空比，T为开关周期；

由上述两式得到：

$V_{C1}=\frac{k_1}{1-k_1}\×V_{U1}=\frac{k_2}{1-k_2}\×V_{U2}.$

所述电源-电容串联型基本直流变换器单元在一个开关周期内有四种工作状态：

其中，第一种工作状态，电源U1为电感L1充电，且电感L2为电容C1充电；第二种工作状态，电源U1为电感L1充电，且电源U2为电感L2充电；第三种工作状态，电感L1为电容C1充电，且电感L2为电容C1充电；第四种工作状态，电感L1为电容C1充电，且电源U2为电感L2充电。

本发明的有益效果为：

(1)本发明有效减小了功率器件的电压应力，解决了目前直流升压电路效率不高的问题；

(2)本发明可以接入多个独立的直流电源，并且在负载电压稳定下，本电路可分别追踪独立电源的最大功率点。

附图说明

图1为本发明的电源-电容串联型基本直流变换器单元的结构示意图；

图2为本发明开关SW1导通、开关SW2关断的等效电路图；

图3为本发明开关SW1导通、开关SW2导通的等效电路图；

图4为本发明开关SW1关断、开关SW2关断的等效电路图；

图5为本发明开关SW1关断、开关SW2导通的等效电路图；

图6为本发明的电源-电容串联型直流变换器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实例，对本发明做进一步说明，首先说明本发明的电源-电容串联型基本直流变换器单元的结构与工作原理。

本发明基本直流变换器单元的拓扑如图1所示，它包括：直流电源U1，电容C1，以及直流电源U2依次串联连接，所述直流电源U1的正极和直流电源U2的负极之间串接有后级电路；

所述直流电源U1两端并联有开关管SW1与电感L1串联电路；所述开关管SW1与电感L1的连接点与二极管D1的阴极相连，二极管D1的阳极接至电容C1的负极；

所述直流电源U2两端并联有开关管SW2与电感L2串联电路；所述开关管SW2与电感L2的连接点与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极接至电容C1的正极。

所述开关管SW1和所述开关管SW2均受控制电路控制其各自导通与关断，其中，控制电路可为PWM脉冲发生电路；本发明的基本直流变换器单元在控制电路的一个开关周期内有四个工作状态，分别如图2-图5所示，下面将一一叙述。

(1)如图2所示，开关管SW1导通，开关管SW2关断，二极管D1不导通，二极管D2导通：

此时，整个电路形成三个回路，一个为：电源U1、开关管SW1和电感L1三者串联，开关管SW1导通，电源U1为电感L1充电；另一个为：电容C1、电感L2和二极管D2三者串联，二极管D2导通，电感L2为电容C1充电，形成一个回路；第三个回路为：直流电源U1，电容C1，以及直流电源U2依次串联连接，再与后级电路串接，形成第三个回路。

(2)如图3所示，开关管SW1导通，开关管SW2导通，二极管D1和二极管D2均不导通：

此时，电源U1、开关管SW1和电感L1三者串联，开关管SW1导通，电源U1为电感L1充电；同时，电源U2、开关管SW2和电感L2三者串联，开关管SW2导通，电源U2为电感L2充电；直流电源U1，电容C1，以及直流电源U2依次串联连接，再与后级电路串接。

(3)如图4所示，开关管SW1关断，开关管SW2关断，二极管D1和二极管D2均导通：

此时，电感L1、二极管D1和电容C1依次串联，电感L1为电容C1充电；同时，电感L2、二极管D2和电容C1依次串联，电感L2为电容C1充电；且直流电源U1，电容C1，以及直流电源U2依次串联连接，再与后级电路串接。

(4)如图5所示，开关管SW1关断，开关管SW2导通，二极管D1导通，二极管D2不导通：

此时，电感L1、二极管D1和电容C1依次串联，电感L1为电容C1充电；同时，电源U2、开关管SW2和电感L2三者依次串联，电源U2为电感L2充电；直流电源U1，电容C1，以及直流电源U2依次串联连接，再与后级电路串接。

在上述四种工作状态运行的同时，由直流电源U1、电容C1和直流电源U2构成的串联网络为后级电路供电。

后级电路可以是含有开关元件或线性元件的功率变换电路，如逆变电路或另一级直流变换电路，也可以直接连接负载。

在每一个开关周期内，两个电感L1、L2的电流平均值保持不变。在直流电源给电感充电过程中，电感电流线性上升，在电感为电容充电过程中，电感电流线性下降。根据上述理论，列出如下数学表达式：

$\frac{V_{U1}}{L_1}\×k_{1}T=\frac{V_{C1}}{L_1}\×(1-k_1)T$

$\frac{V_{U2}}{L_2}\×k_{2}T=\frac{V_{C1}}{L_2}\×(1-k_2)T$

其中，V_U1、V_U2分别为两直流电源U1、U2的电压，V_C1为电容C1的电压，k₁、k₂分别为开关SW1、SW2的导通占空比，T为开关周期。

由上述两式得到：

$V_{C1}=\frac{k_1}{1-k_1}\×V_{U1}=\frac{k_2}{1-k_2}\×V_{U2}$

电源-电容串联型基本直流变换器单元输出直流电压即为两个直流电源电压与电容电压之和，表达式为：

V_dc＝V_U1+V_U2+V_C1

为了证明电源-电容串联型基本直流变换器单元对于功率器件电压应力的降低效果，以开关管SW1、二极管D1为例，分析其开关过程。如图2，在开关管SW1导通之后，二极管D1承受反向电压而关断，其电压应力为V_U1+V_C1；

如图4，在开关管SW1关断之后，二极管D1为电感L1提供续流通路，这时加在开关管SW1的电压应力同样为V_U1+V_C1。对于开关管SW2与二极管D2的分析同理。

在传统的直流升压电路中，若需要提供同样的输出电压，每个功率器件的电压应力即为V_U1+V_U2+V_C1。由此可见，该结构将原本每个器件的电压应力由V_U1+V_U2+V_C1减小为V_U1+V_C1。

一种电源-电容串联型直流变换器由若干的电源-电容串联型基本直流变换器单元串联构成，如图6所示，为本发明电源-电容串联型基本直流变换器单元的拓展结构示意图。采用“电源1—电容1—电源1”—“电源2—电容2—电源2”……“电源n—电容n—电源n”串联连接方式，每相邻的“电源k—电容k—电源k”构成一个基本变换单元，基本变换单元的结构如图1所示。其中基本变换单元工作原理已做出了说明，此处不再赘述。按照如图6所示的拓展方式，总共n个基本直流变换器单元组成串联网络，对后级负载或者电力电子变换电路供电；其输出直流电压U_o为：

U_o＝n×V_dc。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种电源-电容串联型直流变换器，其特征在于，它由若干的电源-电容串联型基本直流变换器单元串联构成，所述电源-电容串联型基本直流变换器单元包括：直流电源U1，电容C1，以及直流电源U2依次串联连接，其中，由直流电源U1、电容C1和直流电源U2构成的串联网络为后级电路供电；

所述直流电源U1两端并联有开关管SW1与电感L1串联电路；所述开关管SW1与电感L1的连接点与二极管D1的阴极相连，二极管D1的阳极接至电容C1的负极；

所述直流电源U2两端并联有开关管SW2与电感L2串联电路；所述开关管SW2与电感L2的连接点与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极接至电容C1的正极；

所述开关管SW1的另一端连接至直流电源U1的正极，电感L1的另一端连接至直流电源U1的负极和电容C1的正极；所述开关管SW2的另一端连接至直流电源U2的负极，电感L2的另一端连接至直流电源U2的正极和电容C1的负极。

2.如权利要求1所述的一种电源-电容串联型直流变换器，其特征在于，所述后级电路是含有开关元件或线性元件的功率变换电路，或负载。

3.如权利要求1所述的一种电源-电容串联型直流变换器，其特征在于，所述电源-电容串联型基本直流变换器单元的输出直流电压V_dc为两个直流电源电压与电容电压之和，其表达式为：

V_dc＝V_U1+V_U2+V_C1

其中，V_U1、V_U2分别为两直流电源U1、U2的电压，V_C1为电容C1的电压。

4.如权利要求3所述的一种电源-电容串联型直流变换器，其特征在于，所述两直流电源U1、U2的电压和电容C1的电压，在一个开关周期其关系式为：

$\frac{V_{U1}}{L_1}\×k_{1}T=\frac{V_{C1}}{L_1}\×(1-k_1)T$

$\frac{V_{U2}}{L_2}\×k_{2}T=\frac{V_{C1}}{L_2}\×(1-k_2)T$

k₁、k₂分别为开关SW1、SW2的导通占空比，T为开关周期；

由上述两式得到：

$V_{C1}=\frac{k_1}{1-k_1}\×V_{U1}=\frac{k_2}{1-k_2}\×V_{U2}.$

5.如权利要求1所述的一种电源-电容串联型直流变换器，其特征在于，所述电源-电容串联型基本直流变换器单元在一个开关周期内有四种工作状态：

第一个工作状态，开关管SW1导通，开关管SW2关断，二极管D1不导通，二极管D2导通；

第二个工作状态，开关管SW1导通，开关管SW2导通，二极管D1和二极管D2均不导通；

第三个工作状态，开关管SW1关断，开关管SW2关断，二极管D1和二极管D2均导通；

第四个工作状态，开关管SW1关断，开关管SW2导通，二极管D1导通，二极管D2不导通。

6.如权利要求5所述的一种电源-电容串联型直流变换器，其特征在于，所述电源-电容串联型基本直流变换器单元在一个开关周期内第一个工作状态的工作过程为：

电源U1、开关管SW1和电感L1三者串联，开关管SW1导通，电源U1为电感L1充电；电容C1、电感L2和二极管D2三者串联，二极管D2导通，电感L2为电容C1充电；直流电源U1，电容C1，以及直流电源U2依次串联连接，再与后级电路串接。

7.如权利要求5所述的一种电源-电容串联型直流变换器，其特征在于，所述电源-电容串联型基本直流变换器单元在一个开关周期内第二个工作状态的工作过程为：

电源U1、开关管SW1和电感L1三者串联，开关管SW1导通，电源U1为电感L1充电；同时，电源U2、开关管SW2和电感L2三者串联，开关管SW2导通，电源U2为电感L2充电；直流电源U1，电容C1，以及直流电源U2依次串联连接，再与后级电路串接。

8.如权利要求5所述的一种电源-电容串联型直流变换器，其特征在于，所述电源-电容串联型基本直流变换器单元在一个开关周期内第三个工作状态的工作过程为：

电感L1、二极管D1和电容C1依次串联，电感L1为电容C1充电；同时，电感L2、二极管D2和电容C1依次串联，电感L2为电容C1充电；且直流电源U1，电容C1，以及直流电源U2依次串联连接，再与后级电路串接。

9.如权利要求5所述的一种电源-电容串联型直流变换器，其特征在于，所述电源-电容串联型基本直流变换器单元在一个开关周期内第四个工作状态的工作过程为：

电感L1、二极管D1和电容C1依次串联，电感L1为电容C1充电；同时，电源U2、开关管SW2和电感L2三者依次串联，电源U2为电感L2充电；直流电源U1，电容C1，以及直流电源U2依次串联连接，再与后级电路串接。