CN105006965A - 单管高增益直流升压变换电路 - Google Patents

单管高增益直流升压变换电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单管高增益直流升压变换电路，包括第一储能电感、第二储能电感、第一二极管、第二二极管、第三二极管、开关管、第一滤波电容和第二滤波电容；所述第一储能电感的一端与电路正极相连，另一端与第一二极管的阳极和第二二极管的阳极均相连，第一二极管的阴极与开关管的集电极相连，第二二极管的阴极与第二储能电感的一端、第一滤波电容的一端均相连，第二储能电感的另一端与第三二极管的阳极相连，第二储能电感的另一端也与开关管的集电极相连，第三二极管的阴极与第二滤波电容的一端相连，开关管的发射极、第一滤波电容的另一端和第二滤波电容另一端均接入电路负极。本发明电路结构简单，控制方便，电路传递功率的效率高。

Description

单管高增益直流升压变换电路
技术领域
本发明属于电力变换电路技术领域，具体涉及一种单管高增益直流升压变换电路。
背景技术
在光伏发电系统中，光电池所产生的电压较低，正常情况下，均为多个单元串联以获得一定数值的直流电压，输出电压值在几伏～几十伏之间。由于有以下所述两个原因，需要为之配置升压变换电路，其一，因为光线强弱的变化、入射角度的变化，光电池所产生的电压是变化的，为让后续负载获得最大功率，必须实施最大功率跟踪控制，即MPPT追踪控制。实现的方法是在光电池输出端接升压斩波电路，控制光电池的输出功率；其二，因为光伏电池产生的电压较低，要为后续负载供电，或者让后续逆变器实施逆变，将电能传输至电网，光伏电池所产生的直流电压必须进行提升。
实现直流电压提升的电路较多，然而可以用于大功率直流变换控制的比较常用的电路是Boost升压斩波电路。但由于占空比控制的可变化范围不大，其升压控制增益无法做得很大，无法满足后续电路的要求，有时需要设置多级升压变换电路对输入电压进行提升，从而，高增益直流升压变换电路得到众多科技人员的重视，需要对此进行深入的研究。本发明正是针对光伏发电系统的实际需求，提出了一种单管高增益直流升压变换电路。
目前，涉及到高增益的直流升压变换电路的专利主要有：1、一种高增益升压直流变换器，申请号：201210534364.9；2、一种交错并联高增益升压型直流变换器，申请号：201210534445.9；3、一种高增益交错并联升压型变换器，申请号：201210534363.4；4、一种单开关高增益升压变换器，申请号：201310423314.8和201320575151.0；5、一种带有开关电容和耦合电感的二次型高增益升压变换器，申请号：201410366604.8和201420422552.7；6、一种多输入高增益升压变换器，申请号：201110285946.3；7、耦合电感高增益有源网络升压变换器，申请号：201410156441.0；8、Z源高增益直流升压变换器，申请号：201410235430.1；9、Z源高增益低开关应力的直流升压变换器，申请号：201410235438.8。在这些专利中，编号为1、2、3、6、7、9的专利均为两管开关并辅助以比较复杂的电阻、电容、电感网络，甚至是含耦合电感的复杂网络实施直流升压变换，电路控制比较复杂，能量流转路径多，电路效率较低。编号为4、5、8的专利，虽然只有单管实施直流电压升压控制，但同样的是其电路结构比较复杂，元件数目较多，有些变换器含有耦合电感元件，电路工作的模态较多，电路的效率不高。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种单管高增益直流升压变换电路，电路结构简单，控制方便，效率高。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种单管高增益直流升压变换电路，包括第一储能电感、第二储能电感、第一二极管、第二二极管、第三二极管、开关管、第一滤波电容和第二滤波电容；所述第一储能电感的一端与电路正极相连，另一端与第一二极管的阳极和第二二极管的阳极均相连，第一二极管的阴极与开关管的集电极相连，第二二极管的阴极与第二储能电感的一端、第一滤波电容的一端均相连，第二储能电感的另一端与第三二极管的阳极相连，第二储能电感的另一端也与开关管的集电极相连，第三二极管的阴极与第二滤波电容的一端相连，开关管的发射极、第一滤波电容的另一端和第二滤波电容另一端均接入电路负极。
一种多级单管高增益直流升压变换电路，包括第一储能电感、第二储能电感、第三储能电感、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、开关管、第一滤波电容、第二滤波电容和第三滤波电容；所述第一储能电感的一端与电路正极相连，另一端与第一二极管的阳极和第二二极管的阳极均相连；第一二极管的阴极与开关管的集电极相连；第二二极管的阴极与第二储能电感的一端、第一滤波电容的一端均相连；第二储能电感的另一端与第三二极管的阳极、第四二极管的阳极均相连；第三二极管的阴极与第三储能电感的一端、第二滤波电容的一端均相连；第三储能电感的另一端与第五二极管的阳极、开关管的集电极均相连；第五二极管的阴极与第三滤波电容的一端相连；第四二极管的阴极与开关管的漏极相连；开关管的发射极、第一滤波电容的另一端、第二滤波电容另一端和第三滤波电容的另一端均接入电路负极。
有益效果：与现有技术相比，本发明由单个开关管实施两组升压斩波直流变换电路的控制，获得比单级升压斩波变换电路高的输出电压增益，电路结构简单，控制方便，电路传递功率的效率高，获得高增益的直流电压升压变换。
附图说明
图1是单管高增益直流升压变换电路图；
图2是开关管开通情况下电路的工作状态图；
图3是开关管关断情况下电路的工作状态图；
图4是拓展的三级单管多级高增益直流升压变换电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
实施例1
本发明所提出的单管高增益直流升压变换电路，如图1所示，包括第一储能电感L1、第二储能电感L2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、开关管T、第一滤波电容C1和第二滤波电容C2；所述第一储能电感L1的一端与电路正极相连，另一端与第一二极管D1的阳极和第二二极管D2的阳极均相连，第一二极管D1的阴极与开关管T的集电极相连，第二二极管D2的阴极与第二储能电感L2的一端、第一滤波电容C1的一端均相连，第二储能电感L2的另一端与第三二极管D3的阳极相连，第二储能电感L2的另一端也与开关管T的集电极相连，第三二极管D3的阴极与第二滤波电容C2的一端相连，开关管T的发射极、第一滤波电容C1的另一端和第二滤波电容C2另一端均接入电路负极。
该升压变换电路的工作原理如下：
1)T开通
在开关管T开通的情况下，根据楞次定律，电感L1和L2上的电压极性为左“正”右“负”。变换电路的工作状态如图2a所示。图中，实线表示有电流流通的路径，虚线表示没有电流流过的路径，L1和L2中的电流i1、i2的流通路线如图2b所示。图2b中，uC1为电容C1上的直流电压。
假定开关管及二极管均为理想开关，则在开关管开通期间，根据KVL(基尔霍夫电压定律)可得：
在该阶段，输入电源给电感L1传递电能，L1储能增加；电容C1的电场能量向L2传递，L2储能增加。
2)T关断
开关管T关断，根据楞次定律，电感L1和L2上的电压极性转变为左“负”右“正”。变换电路的工作状态如图3a所示。图中，实线表示有电流流通的路径，虚线表示没有电流流过的路径，L1和L2中的电流i1、i2的流通路线如图3b所示。
观察电路，可以得出在开关管关断期间电路参量之间的关系：
随着电感L1和L2的放电，电感电流逐步减小，能量向负载转移。
假定电路工作频率足够高，电感L1和L2的直流电阻较小，电容C1、C2的容值足够大，在开关处于导通、关断期间电流i1、i2以指数规律变化的过程可以近似按照线性规律变化。则由公式(1)～(4)可以推导出：
消去其中的中间变量uC1得：
令表示开关管在一个控制周期内的导通时间比，称为占空比，有：
由于σ＜1，因此，便更大于1，获得比较高的升压比。
3)电路元件参数选择
按照电路实际工作过程及工作状态，在选定输入、输出电压数值及电路传递功率的前提条件下，可以得到电路输入电流及输出电流数值，假定其平均值分别为I1、I2，幅值分别为I1m、I2m
1、C1、C2额定电压、容量选择
uC2e≧(2～3)Uo
C1、C2的容值选择取决于当前工作频率及负载情况下所允许的电压脉动数值，容值越大，C1、C2上的电压脉动值越小。
2、二极管D1、D2、D3额定参数选择
D1：ID1e≧(1.5～2)I1m
D2：ID2e≧(1.5～2)I1m
D3：UD3e≧(2～3)Uo ID3e≧(1.5～2)I2m
3、开关管T额定参数选择
开关管额定电压UTe≧(2～3)Uo
开关管额定电流ITe≧(1.5～2)(I1m+I2m)
4、电感L1、L2额定参数选择
电感L1、L2所允许通过的电流取决于所流过的电流，电感值取决于电路工作频率及电路电流允许的脉动量，感值越大，电流脉动值越小。
若输入、输出电流允许脉动量分别为ΔI1、ΔI2，电感L1、L2分别为：
实施例2
根据实施例1的电路的构思，可以将多级(≧2)升压斩波电路进行级联，实施更高增益的升压变换，即为多级单管高增益直流升压变换电路，如图4所示，包括第一储能电感L1、第二储能电感L2、第三储能电感L3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、开关管T、第一滤波电容C1、第二滤波电容C2和第三滤波电容C3；所述第一储能电感L1的一端与电路正极相连，另一端与第一二极管D1的阳极和第二二极管D2的阳极均相连；第一二极管D1的阴极与开关管T的集电极相连；第二二极管D2的阴极与第二储能电感L2的一端、第一滤波电容C1的一端均相连；第二储能电感L2的另一端与第三二极管D3的阳极、第四二极管D4的阳极均相连；第三二极管D3的阴极与第三储能电感L3的一端、第二滤波电容C2的一端均相连；第三储能电感L3的另一端与第五二极管D5的阳极、开关管T的集电极均相连；第五二极管D5的阴极与第三滤波电容C3的一端相连；第四二极管D4的阴极与开关管T的漏极相连；开关管T的发射极、第一滤波电容C1的另一端、第二滤波电容C2另一端和第三滤波电容C3的另一端均接入电路负极。
该三级升压斩波电路的级联方式，可以使电路的输出可以获得更高的增益。
以上实施例中以大功率晶体管为例说明，本申请也可以采用大功率场效应晶体管、IGBT来实施，实施方法相同，当以大功率场效应晶体管时，本申请中的集电极即为大功率场效应晶体管的漏极，发射极即为大功率场效应晶体管源极。IGBT三极的名称除栅极外，另两极名称均与大功率晶体管同。

Claims (2)

1.一种单管高增益直流升压变换电路，其特征在于：包括第一储能电感(L1)、第二储能电感(L2)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、开关管(T)、第一滤波电容(C1)和第二滤波电容(C2)；所述第一储能电感(L1)的一端与电路正极相连，另一端与第一二极管(D1)的阳极和第二二极管(D2)的阳极均相连，第一二极管(D1)的阴极与开关管(T)的集电极相连，第二二极管(D2)的阴极与第二储能电感(L2)的一端、第一滤波电容(C1)的一端均相连，第二储能电感(L2)的另一端与第三二极管(D3)的阳极相连，第二储能电感(L2)的另一端也与开关管(T)的集电极相连，第三二极管(D3)的阴极与第二滤波电容(C2)的一端相连，开关管(T)的发射极、第一滤波电容(C1)的另一端和第二滤波电容(C2)另一端均接入电路负极。
2.一种多级单管高增益直流升压变换电路，其特征在于：包括第一储能电感(L1)、第二储能电感(L2)、第三储能电感(L3)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)、开关管(T)、第一滤波电容(C1)、第二滤波电容(C2)和第三滤波电容(C3)；所述第一储能电感(L1)的一端与电路正极相连，另一端与第一二极管(D1)的阳极和第二二极管(D2)的阳极均相连；第一二极管(D1)的阴极与开关管(T)的集电极相连；第二二极管(D2)的阴极与第二储能电感(L2)的一端、第一滤波电容(C1)的一端均相连；第二储能电感(L2)的另一端与第三二极管(D3)的阳极、第四二极管(D4)的阳极均相连；第三二极管(D3)的阴极与第三储能电感(L3)的一端、第二滤波电容(C2)的一端均相连；第三储能电感(L3)的另一端与第五二极管(D5)的阳极、开关管(T)的集电极均相连；第五二极管(D5)的阴极与第三滤波电容(C3)的一端相连；第四二极管(D4)的阴极与开关管(T)的集电极相连；开关管(T)的发射极、第一滤波电容(C1)的另一端、第二滤波电容(C2)另一端和第三滤波电容(C3)的另一端均接入电路负极。
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Denomination of invention: Single transistor high gain DC boost converter circuit

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Denomination of invention: Single transistor high gain DC boost converter circuit

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