CN105245105A - 并串转换单管控制高增益直流升压变换电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并串转换单管控制高增益直流升压变换电路，通过一个开关管实施输入直流电压的高增益升压变换，在开关管开通、关断过程中，电路中的多个电感元件由并联充电状态转换为串联放电状态，从而实施输入直流电压的提升，可以获得直流电压升压变换的高增益，适用于光伏发电系统光伏电池输出电压的升压控制。与Boost升压变换电路相比，该电路电压变换增益高，与两个单级升压变换电路相比少用一个功率开关元件，获得升压变换电路的高电压增益，控制电路简单，控制方便，效率高。

Description

并串转换单管控制高增益直流升压变换电路

技术领域

本发明涉及直流升压变换电路技术领域，尤其涉及一种并串转换单管控制高增益直流升压变换电路。

背景技术

在光伏发电系统中，光伏电池所产生的电压比较低，正常情况下，均为多个电池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。在太阳能发电中，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，为了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。又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。因此，需要为光伏发电系统配置升压变换电路。

实现直流电压提升的电路较多，然而可用于实现大功率直流变换控制比较常用的电路是Boost升压斩波电路。但由于其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，需要对此进行深入研究。

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；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；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，1)、2)、3)、6)、7)、9)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。4)、5)、8)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，均不能满足使用需求。

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并串转换单管控制高增益直流升压变换电路，。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种并串转换单管控制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、第四二极管、开关管、输出储能电容和负载电阻；所述第一储能电感的一端与输入电源正极相连，另一端与第二二极管的阳极和第四二极管的阳极均相连；第一二极管的阳极与输入电源正极相连，阴极与第二二极管的阴极相连；第二二极管的阴极与第二储能电感的一端均相连，第二储能电感的另一端与开关管的集电极相连，第四二极管的阴极，第三二极管的阳极均相连；第三二极管的阴极与输出储能电容的一端和负载电阻一端均相连；输出储能电容的另一端，负载电阻另一端，以及开关管的发射极，均接入输入电源与输出负载的负极公共端。

所述的并串转换单管控制高增益直流升压变换电路，在联接第一二极管的电路上并联有第一滤波电容，在联接第四二极管的电路上并联有第二滤波电容。

拓展之，所述的并串转换单管控制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、第六二极管、第七二极管、开关管、输出储能电容和负载电阻；所述第一储能电感的一端与输入电源正极相连，另一端与第二二极管的阳极和第四二极管的阳极均相连；第一二极管的阳极与输入电源正极相连，第一二极管的阴极与第二二极管的阴极相连；第二二极管的阴极与第二储能电感的一端均相连，第二储能电感的另一端通过第三二极管与第三储能电感的一端相连、与第六二极管的阳极、第三二极管的阳极均相连，第三储能电感的另一端与开关管的集电极、第四二极管的阴极，第六二极管的阴极、第七二极管的阳极均相连；第七二极管的阴极与输出储能电容的一端和负载电阻一端均相连；第五二极管的阳极联接输入电源正极，第五二极管的阴极联接第三二极管的阴极；输出储能电容的另一端，负载电阻另一端，以及开关管的发射极，均接入输入电源与输出负载的负极公共端。

有益效果：与现有的技术相比，本发明的并串转换单管控制高增益直流升压变换电路，电路结构简单，控制方便，效率高，通过一个开关管实施输入直流电压的高增益升压变换，在开关管开通、关断过程中，电路中的多个电感元件由并联充电状态转换为串联放电状态，从而实施输入直流电压的提升，可以获得直流电压升压变换的高增益，适用于光伏发电系统光伏电池输出电压的升压控制。与Boost升压变换电路相比，该电路电压变换增益高，与两个单级升压变换电路相比少用一个功率开关元件，获得升压变换电路的高电压增益，控制电路简单。

附图说明

图1是并联及串联转换单管高增益直流升压变换电路原理图；

图2是开关管开通情况下电路的工作情况电路图；

图3是开关管关断情况下电路的工作情况电路图；

图4是考虑电感元件参数差异情况下电路的改进电路图；

图5是拓展后的高增益直流升压变换电路原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1

并联及串联转换单管高增益直流升压变换电路，如图1所示，E为输入电源，其电势数值为U_i，D₁、D₂、D₃、D₄为二极管，u_L1、u_L2为电感元件L₁、L₂上的电压，T为开关管，C_o为输出储能电容，U_o为负载R上的端电压。该并串转换单管控制高增益直流升压变换电路，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、第四二极管D₄、开关管T、输出储能电容C_o和负载电阻R；所述第一储能电感L₁的一端与输入电源正极相连，另一端与第二二极管D₂的阳极和第四二极管D₄的阳极均相连；第一二极管D₁的阳极与输入电源正极相连，阴极与第二二极管D₂的阴极相连；第二二极管D₂的阴极与第二储能电感L₂的一端均相连，第二储能电感L₂的另一端与开关管T的集电极相连，第四二极管D₄的阴极，第三二极管D₃的阳极均相连；第三二极管D₃的阴极与输出储能电容C_o的一端和负载电阻R一端均相连；输出储能电容C_o的另一端，负载电阻R另一端，以及开关管T的发射极，均接入输入电源与输出负载的负极公共端。

该升并联及串联转换单管高增益直流升压变换电路的工作原理如下：

1)T开通

先假定L₁、L₂的数值相等，即L₁＝L₂＝L。图2为开关管开通情况下电路中电流的流通情况，L₁充电电流i₁的路径为：电源“﹢”→L₁→D₄→T→电源“﹣”，L₂充电电流i₂的路径为：电源“﹢”→D₁→L₂→T→电源“﹣”。由于两个电感元件由同一电源供电，激励电压相同，两个电感的感值相同，导通时间由同一开关管控制，也相同，故i₁＝i₂＝i。电路输出端的负载电流由储能电容C_o放电提供。图2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。

假定图中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：

$U_i=L_1\frac{{\mathrm{di}}_1}{dt}=u_{L1}---\left(1\right)$

$U_i=L_2\frac{{\mathrm{di}}_2}{dt}=u_{L2}---\left(2\right)$

在本阶段，电源给电感L₁、L₂充电，传递电能，L₁、L₂储能增加。电感L₁、L₂上的电压u_L1、u_L2相等，极性为左“正”、右为“负”。二极管D₂、D₃承受反压截止。

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为如图3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的流通路径为：电源“﹢”→L₁→D₂→L₂→D₃→负载→电源“﹣”。

本阶段，由于电感放电，L₁、L₂上电压u_L1、u_L2极性为左“负”、右为“正”，与L₁并联的二极管D₁承受反向电压截止，与L₂并联的二极管D₄承受反向电压截止，D₂、D₃承受正向电压导通。

根据电路结构，根据KVL，可以得出在开关管关断期间电路参量之间的关系：

$U_o=U_i-u_{L1}-u_{L2}=U_i-L_1\frac{{\mathrm{di}}_1}{dt}-L_2\frac{{\mathrm{di}}_2}{dt}---\left(3\right)$

考虑到，在开关管关断期间，u_L1、u_L2的极性左“负”右“正”，式(3)可改写成：

$U_o=U_i+L_1\left|\frac{{\mathrm{di}}_1}{dt}\right|+L_2\left|\frac{{\mathrm{di}}_2}{dt}\right|---\left(4\right)$

随着电感L₁和L₂的放电，电感电流将逐步减小，储能电感的能量将向负载转移。

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C_o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)、(2)、(4)可以推导出：

$\frac{U_o}{U_i}=\frac{1+\frac{t_{on}}{T}}{1-\frac{t_{on}}{T}}=\frac{1+\mathrm{\σ}}{1-\mathrm{\σ}}---\left(5\right)$

式中，T为开关管工作控制周期，为开关管在一个控制周期内的导通时间比，称占空比。

由于，占空比的数值小于1，更大于1，获得比较高的升压比。

3)电路运行

图1中，起初分析时假定L₁＝L₂＝L，则两个电感元件将由同一电源供电，激励电压相同；导通时，由同一开关管控制，则导通时间也相同，故i₁＝i₂＝i。如果电路可以做到如此对称，则电路工作便按照以上分析正常运行。但是，实际情况是，电路参数不可能做到如此理想，尤其是两个电感元件的电感值不可能等值；同时，电路分布的不对称使得开关管导通时，两个电感的充电回路分布电感参数将不同。从而，两个电感充电回路电流在开关管导通的时间结束时刻，其数值将不相等。

既然，两个电感元件数值不可能做到完全相等，在相同的充电时间内(开关管导通时间)，它们的充电电流数值便不会相等。则当开关管关断时，根据楞次定律，电感的感应电动势总是阻碍电流的变化，两个电感的感应电压极性变为左“负”右“正”。但因电感元件属于储能元件，其电流不能突变，则具有不同电流的两个电感元件便无法实现串联。如若串联，相并联的两个二极管上将产生很大的感应电压，甚至损坏所并联的二极管元件。

为此，在图1所示电路中，在联接第一二极管D₁的电路上并联有第一滤波电容C₁，在联接第四二极管D₄的电路上并联有第二滤波电容C₂。与电感元件相并联的两个二极管元件上，并上吸收过电压小电容器C₁、C₂。当开关管关断时，电感元件续流，电能应该通过路径：“电源﹢”→L₁→D₂→L₂→D₃→R→“电源﹣”将电感储能向负载传递。此时，电感元件作为电流源，先向所并联的电容C₁、C₂充电，两电容的充电电压之和达到输出电压U_o和输入电压U_i的差值时，电感元件开始向负载传递电功率。

从电路分析的角度出发，因为两电感元件的电感值不相等，当开关管元件关断时，电路中将存在由两个电感作为电流源进行供电，由这两个电感和各自所串联的二极管及二极管和电容并联电路构成的二阶振荡充电电路，电容C₁和C₂上将出现频率很高、幅值很大的振荡电压，对所并联的二极管元件、电容元件不利。为此，可在电容回路中串联一个小电阻元件，作为该二阶振荡电路的阻尼电阻，可以有效降低振荡电压的数值。

本发明的图1原理电路，按照改进后的图4电路进行参数设计。根据电路实际工作过程及工作状态，在选定输入U_i、输出电压U_o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I_1m、I_2m。

1、C_o额定电压、容量选择

u_Co≧(2～3)U_o

C_o的容量选择取决于当前电路的工作频率f及负载(等效电阻R)情况下所允许的电压脉动数值，容值越大，C_o上的电压脉动值越小。如果确定输出电压允许脉动率为x(百分数，远小于1)，输出储能电容的容量为：

$C_o\≥\frac{1}{R\×f\×\left|ln(1-x)\right|}$

2、D₁、D₂、D₃、D₄的额定参数选择

观察电路实际工作情况，D₁和D₄在电路工作过程中所承受的最大反向电压为输出电压U_o与输入电压U_i差值的一半，考虑电路元件，尤其是电感元件的差异，这两个二极管所承受的最大反向电压也略大于在开关管T导通的过程中，输入电流通过D₁和D₄给L₁、L₂充电，因此，它们所通过的电流最大值即为输入电流最大值I_1m。

二极管D₂在开关管T开通时承受反向电压，数值等于输入电源电压U_i。在开关管T关断时导通，流过电感电流，因此，二极管D₂流过的最大电流为输入电流最大值I_1m。

二极管D₃在开关管T开通时承受反向电压，数值等于输出电压U_o，在开关管T关断时导通，所流过的电流与电感元件中的最大电流相同，分别提供给负载及给电容C_o充电，可以按照输入最大幅值电流I_1m考虑。

综合以上分析，四个二极管可按如下选择参数：

$D_1,D_4:U_{D1e}=U_{D4e}\≥(2~3)\frac{U_o-U_i}{2},I_{D1e}=I_{D4e}\≥(1.5~2)I_{1m}$

D₂：U_D2e≧(2～3)U_i，I_D2e≧(1.5～2)I_1m

D₃：U_D3e≧(2～3)U_o，I_D3e≧(1.5～2)I_1m

3、开关管T额定参数选择

开关管额定电压U_Te≧(2～3)U_o

开关管额定电流I_Te≧(1.5～2)I_1m

4、电感L₁、L₂额定参数选择

电感的额定参数主要有两个，额定电流及电感值。电感L₁、L₂所允许通过的电流取决于电感线圈的导线直径，根据电路工作情况，电感的额定电流可以按照电路输入电流最大值来确定。

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。

若输入电流允许脉动量为ΔI，电感L₁、L₂分别为：

$L_1=L_2\≥\frac{U_i}{\mathrm{\Δ}I\×f}$

5、二极管D₁、D₄所并联电容C₁、C₂及其串联阻尼电阻的参数选择

电容C₁、C₂所承受的电压与二极管D₁、D₄相同，其额定电压可以按照二极管D₁、D₄的额定电压确定。电容C₁、C₂的作用是吸收因为电路参数不对称引起的电路振荡过电压，在电感L₁、L₂所并联的二极管上产生过高的电压，其容值不需要设置过大，一般设置为0.47～1μF。

阻尼电阻R_series串联在电容回路中，目的是增加二阶振荡电路的阻尼，按照二阶振荡电路的分析，在确定适当阻尼比ξ下，阻尼电阻R_series选择为：

本式中，L＝L₁＝L₂，C＝C₁＝C₂。

实施例2

根据电路1的构思，可以将多个电感充放电电路进行组合，实施更高增益的升压变换，图5给出了三个电感元件的级联方式，从而电路的输出可以获得更高的增益。该级联方式的电路，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、第六二极管D₆、第七二极管D₇、开关管T、输出储能电容C_o和负载电阻R；所述第一储能电感L₁的一端与输入电源正极相连，另一端与第二二极管D₂的阳极和第四二极管D₄的阳极均相连；第一二极管D₁的阳极与输入电源正极相连，第一二极管D₁的阴极与第二二极管D₂的阴极相连；第二二极管D₂的阴极与第二储能电感L₂的一端均相连，第二储能电感L₂的另一端通过二极管D₃与第三储能电感L₃的一端、第六二极管D₆的阳极、第三二极管D₃的阳极均相连，第三储能电感L₃的另一端与开关管T的集电极、第四二极管D₄的阴极，第六二极管D₆的阴极、第七二极管D₇的阳极均相连；第七二极管D₇的阴极与输出储能电容C_o的一端和负载电阻R一端均相连；第五二极管D₅的阳极联接输入电源正极，第五二极管D₅的阴极联接第三二极管D₃的阴极；输出储能电容C_o的另一端，负载电阻R另一端，以及开关管T的发射极，均接入输入电源与输出负载的负极公共端。

该电路的电压控制增益为：

$\frac{U_o}{U_i}=\frac{1+2\frac{t_{on}}{T}}{1-\frac{t_{on}}{T}}=\frac{1+2\mathrm{\σ}}{1-\mathrm{\σ}}---\left(6\right)$

类似地，在电感元件相并联的二极管元件上，需要并上吸收过电压的小电容器，及其与小电容相串联的阻尼电阻。

Claims (3)

1.一种并串转换单管控制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)、第四二极管(D₄)、开关管(T)、输出储能电容(C_o)和负载电阻(R)；所述第一储能电感(L₁)的一端与输入电源正极相连，另一端与第二二极管(D₂)的阳极和第四二极管(D₄)的阳极均相连；第一二极管(D₁)的阳极与输入电源正极相连，阴极与第二二极管(D₂)的阴极相连；第二二极管(D₂)的阴极与第二储能电感(L₂)的一端均相连，第二储能电感(L₂)的另一端与开关管(T)的集电极相连，与第四二极管(D₄)的阴极，第三二极管(D₃)的阳极均相连；第三二极管(D₃)的阴极与输出储能电容(C_o)的一端和负载电阻(R)一端均相连；输出储能电容(C_o)的另一端，负载电阻(R)另一端，以及开关管(T)的发射极，均接入输入电源和输出负载的负极公共端。

2.根据权利要求1所述的并串转换单管控制高增益直流升压变换电路，其特征在于，在联接第一二极管(D₁)的电路上并联有第一滤波电容(C₁)，在联接第四二极管(D₄)的电路上并联有第二滤波电容(C₂)。

3.根据权利要求1所述的并串转换单管控制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)、第六二极管(D₆)、第七二极管(D₇)、开关管(T)、输出储能电容(C_o)和负载电阻(R)；所述第一储能电感(L₁)的一端与输入电源正极相连，另一端与第二二极管(D₂)的阳极和第四二极管(D₄)的阳极均相连；第一二极管(D₁)的阳极与输入电源正极相连，第一二极管(D₁)的阴极与第二二极管(D₂)的阴极相连；第二二极管(D₂)的阴极与第二储能电感(L₂)的一端均相连，第二储能电感(L₂)的另一端通过第三二极管(D₃)与第三储能电感(L₃)的一端、第六二极管(D₆)的阳极、第三二极管(D₃)的阳极均相连，第三储能电感(L₃)的另一端与开关管(T)的集电极、第四二极管(D₄)的阴极，第六二极管(D₆)的阴极、第七二极管(D₇)的阳极均相连；第七二极管(D₇)的阴极与输出储能电容(C_o)的一端和负载电阻(R)一端均相连；第五二极管(D₅)的阳极联接输入电源正极，第五二极管(D₅)的阴极联接第三二极管(D₃)的阴极；输出储能电容(C_o)的另一端，负载电阻(R)另一端，以及开关管(T)的发射极，均接入输入电源和输出负载的负极公共端。