CN107070215A - 一种三电平boost共地系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种三电平boost共地系统及其控制方法，该系统包括输入电源、输入电容、电感、第一和第二升压开关管、第一和第二升压二极管、均压电容、钳位二极管、bypass二极管、第一和第二输出电容以及采样与控制电路；本发明还公开了该三电平boost共地系统的控制方法；本发明只需采用一个bypass二极管，boost工作在bypass模式时可将boost损耗降低一倍，进而提高系统效率，又可以降低系统成本；boost工作在升压模式时，开关管可工作在交替导通模式，电感的频率将是开关管频率的两倍，这样可有效减小电感L的体积、损耗以及成本。

Description

一种三电平boost共地系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及boost电路技术领域，具体涉及一种三电平boost共地系统及其控制方法。

背景技术

Boost电路作为一种最基本的DC/DC拓扑广泛应用于各种电源产品中，而光伏发电系统中光伏并网逆变器采用两级拓扑结构，前级的Boost升压电路既可以提高并稳定太阳能光伏电池的输出电压，又可以最大功率跟踪控制放到前级升压侧，简单方便。目前广泛应用在光伏逆变器的直流侧拓扑结构有两电平与三电平拓扑，而随着光伏发电系统的输入电压越来越高，两电平拓扑结构中功率管的耐压已不满足市场需求，而三电平Boost变换器相比两电平Boost变换器，其器件的电压应力会降低一半，因此将得到广泛应用。

当逆变器工作在一级模式时，即boost电路不工作，为降低boost损耗，目前的不共地三电平boost拓扑结构会增加两个bypass二极管，而增加bypass二极管后会带来以下两个缺点：1.boost系统不能工作在交错模式，这样会增大主电感的体积和损耗；2.工作在一级模式时bypass二极管由于使用两个而使系统损耗相应的增大，严重影响逆变器效率，进而影响发电量。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种三电平boost共地系统及其控制方法，可有效的解决目前三电平boost拓扑存在的两个问题。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种三电平boost共地系统，包括输入电源，输入电源与输入电容C1并联且输入电源的正极端串联电感L，第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2串联连接在电感L与输入电源负极端，电感L的输出端串联第一二极管D1，第一二极管D1的阳极与电感L的输出端相连接，第一二极管D1的阴极与第二二极管D2的阳极相连接，第二二极管D2的阴极与后级电路相连接，第一输出电容C3与第二输出电容C4串联起来，第一输出电容C3的正极与第二二极管D2的阴极相连接，第二输出电容C4的负极与输入电源负极端相连接，或者通过另一电感与输入电源负极端相连接，均压电容C2的正极连接第一二极管D1的阴极，均压电容C2的负极连接至第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2串联连接的连接点上，钳位二极管D3的阳极与均压电容C2的负极连接，钳位二极管D3的阴极作为三电平的中心电平输出端，与后级电路相连接。bypass二极管D4的阳极接至电感L的输入端，而bypass二极管D4的阴极连接到第一输出电容C3的正极，或者采用继电器K代替bypass二极管D4，通过控制继电器K的吸合而使系统工作在bypass模式时，进一步减少系统损耗；采样及控制单元分别从输入电源端采样输入电源端的电压u_pv和电流i_pv，,从交流输出端采样第一交流输出电压u_dc1、第一交流输出电压u_dc2，和第一交流输出电压u_dc3，所述输入电源端的电压u_pv和电流i_pv的采样点位于输入电源的正极处，所述第一交流输出电压u_dc1的采样点位于第二二极管D2的阴极端，所述第二交流输出电压u_dc2的采样点位于钳位二极管D3的阴极端，所述第三交流输出电压u_dc3的采样点位于第一二极管D1的阴极端，所述采样及控制单元的输出驱动信号分别与第一升压开关管Q1的栅极和第二升压开关管Q2的栅极相连接，用于控制开关管的开关状态；工作在bypass模式时，电源输出电流直接流经bypass二极管D4或继电器K到达后级电路，只需要一个bypass二极管，有效的降低系统损耗，提高逆变器效率，进而提高发电量；使用钳位二极管D3，分别将第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2高压侧的电压应力钳位至正负母线电压，即第一输出电容C3与第二输出电容C4两端的电压值，这样可选择耐压较低的开关管，进而可降低系统成本；

工作在升压模式，BOOST电路中的第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2交错导通，第一升压开关管Q1导通时，电流由输入电源流经电感L、第一升压开关管Q1、均压电容C2、第二二极管D2再经过后级电路回到输入电源的负极；而第二升压开关管Q2导通时，电流由输入电源流经电感L、第一二极管D1、均压电容C2、第二升压开关管Q2回到输入电源的负极；通过控制第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2的开通占空比，进而控制均压电容C2两端的电压，使其等于输出电压的一半，第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2的电压也被控制为输出电压值的一半，这样可选择耐压较低的开关管，进而降低系统成本；使用bypass二极管D4时可工作在交替导通模式，这样电感L的频率是开关管频率的两倍，有效减小电感L的体积、损耗以及成本，进而可降低系统损耗以及成本。

所述三电平boost共地系统的控制方法，包括如下步骤：

1)、首先通过模数转换AD采样获取母线电压U_bus、均压电容电压U_middc；然后将母线电压U_bus的一半与均压电容电压U_middc作差后，通过PI控制器得到中点占空比MidD；

2)、采样Boost电感电流I_boost与电流参考值I_boost ^*作差后，通过PI控制器得到总占空比Duty；

3)、将总占空比Duty与中点占空比相减，然后与载波比较后得到第一升压开关管Q1的占空比Up_Duty；将总占空比Duty与中点占空比相加，然后与载波比较后得到第二升压开关管Q2的占空比Down_Duty；若总占空比Duty大于等于0.5，则第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2载波相位相差180°，实现第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2交错导通，若总占空比小于0.5，则第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2载波相位同步，实现第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2同开同关。

和现有技术相比，本发明具备如下优点：

1.只需采用一个bypass二极管D4，boost工作在bypass模式时可将boost损耗降低一倍，进而提高系统效率，又可以降低系统成本；

2.boost工作在升压模式时，开关管可工作在交替导通模式，电感L的频率将是开关管频率的两倍，这样可有效减小电感L的体积、损耗以及成本；

3.boost工作在bypass模式时，增加一个钳位二极管D3，可使开关管Q1、Q2的电压值钳位至正负母线电容，即C3、C4两端电压；而boost工作在升压模式时，通过控制Q1、Q2的开通占空比，进而控制均压电容C2两端的电压，使其等于输出电压的一半，开关管Q1、Q2的电压也被控制为输出电压值的一半。这样可解决升压功率管分压不均问题，从而降低功率管的电压应力，提高产品品质和降低成本。

4.本发明boost系统既可工作在≥0.5的占空比又可工作在＜0.5的占空比的工作模式，实现较宽的工作范围。

附图说明

图1为本发明共地三电平boost拓扑图。

图2为bypass工作模式。

图3为Q1导通时工作电路图。

图4为Q2导通时工作电路图。

图5为共地三电平boost控制框图(Duty>0.5)

图6为本发明共地三电平boost拓扑图替换方案一。

图7为本发明共地三电平boost拓扑图替换方案二。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明一种三电平boost共地系统，包括输入电源，输入电源与输入电容C1并联且输入电源的正极端串联电感L，第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2串联连接在电感L与输入电源负极端，电感L的输出端串联第一二极管D1，第一二极管D1的阳极与电感L的输出端相连接，第一二极管D1的阴极与第二二极管D2的阳极相连接，第二二极管D2的阴极与后级电路相连接，第一输出电容C3与第二输出电容C4串联起来，第一输出电容C3的正极与第二二极管D2的阴极相连接，第二输出电容C4的负极与输入电源负极端相连接，均压电容C2的正极连接第一二极管D1的阴极，均压电容C2的负极连接至第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2串联连接的连接点上，钳位二极管D3的阳极与均压电容C2的负极连接，钳位二极管D3的阴极作为三电平的中心电平输出端，与后级电路相连接。bypass二极管D4的阳极接至电感L的输入端，而bypass二极管D4的阴极连接到第一输出电容C3的正极；采样及控制单元分别从输入电源端采样输入电源端的电压u_pv和电流i_pv，从交流输出端采样第一交流输出电压u_dc1、第一交流输出电压u_dc2，和第一交流输出电压u_dc3，所述输入电源端的电压u_pv和电流i_pv的采样点位于输入电源的正极处，所述第一交流输出电压u_dc1的采样点位于第二二极管D2的阴极端，所述第二交流输出电压u_dc2的采样点位于钳位二极管D3的阴极端，所述第三交流输出电压u_dc3的采样点位于第一二极管D1的阴极端，所述采样及控制单元的输出驱动信号分别与第一升压开关管Q1的栅极和第二升压开关管Q2的栅极相连接，用于控制开关管的开关状态。工作在bypass模式时，即boost电路工作在不升压模式，电源输出电流直接流经bypass二极管D4或继电器K到达后级电路，如图2所示，而现有共地拓扑在此模式时需要采用2个bypass二极管，从而增大boost损耗，而本发明的拓扑结构只需要一个bypass二极管，有效的降低系统损耗，提高逆变器效率，进而提高发电量；本发明使用钳位二极管D3，分别将第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2高压侧的电压应力钳位至正负母线电压，即第一输出电容C3与第二输出电容C4两端的电压值，这样可选择耐压较低的开关管，进而可降低系统成本。

电路工作时，即boost电路工作在升压模式，BOOST电路中的第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2交错导通，第一升压开关管Q1导通时，电流由输入电源流经电感L、第一升压开关管Q1、均压电容C2、第二二极管D2再经过后级电路回到输入电源的负极，如图3所示；而第二升压开关管Q2导通时，电流由输入电源流经电感L、第一二极管D1、均压电容C2、第二升压开关管Q2回到输入电源的负极，如图4所示；通过控制第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2的开通占空比，进而控制均压电容C2两端的电压，使其等于输出电压的一半，第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2的电压也被控制为输出电压值的一半，这样可选择耐压较低的开关管，进而降低系统成本；使用bypass二极管D4时可工作在交替导通模式，这样电感L的频率是开关管频率的两倍，有效减小电感L的体积、损耗以及成本，进而可降低系统损耗以及成本。

如图5所示，本发明所述三电平boost共地系统的控制方法，包括如下步骤：

1)、首先通过模数转换AD采样获取母线电压U_bus、均压电容电压U_middc；然后将母线电压U_bus的一半与均压电容电压U_middc作差后，通过PI控制器得到中点占空比MidD；

2)、采样Boost电感电流I_boost与电流参考值I_boost ^*作差后，通过PI控制器得到总占空比Duty；

3)、将总占空比Duty与中点占空比相减，然后与载波比较后得到第一升压开关管Q1的占空比Up_Duty；将总占空比Duty与中点占空比相加，然后与载波比较后得到第二升压开关管Q2的占空比Down_Duty；若总占空比Duty大于等于0.5，则第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2载波相位相差180°，实现第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2交错导通，若总占空比小于0.5，则第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2载波相位同步，实现第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2同开同关。

如图6所示，本发明bypass二极管D4也可用一个继电器K代替，通过控制继电器K的吸合而使系统工作在bypass模式时，进一步减少系统损耗，但会增加系统复杂程度，且增加成本。

如图7所示，boost电感不限于单电感结构，可以为图7的第一电感L1和第二电感L2。

替换方案也可以是上述替换方案之间的组合。

Claims (2)

1.一种三电平boost共地系统，其特征在于：包括输入电源，输入电源与输入电容C1并联且输入电源的正极端串联电感L，第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2串联连接在电感L与输入电源负极端，电感L的输出端串联第一二极管D1，第一二极管D1的阳极与电感L的输出端相连接，第一二极管D1的阴极与第二二极管D2的阳极相连接，第二二极管D2的阴极与后级电路相连接，第一输出电容C3与第二输出电容C4串联起来，第一输出电容C3的正极与第二二极管D2的阴极相连接，第二输出电容C4的负极与输入电源负极端相连接，或者通过另一电感与输入电源负极端相连接，均压电容C2的正极连接第一二极管D1的阴极，均压电容C2的负极连接至第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2串联连接的连接点上，钳位二极管D3的阳极与均压电容C2的负极连接，钳位二极管D3的阴极作为三电平的中心电平输出端，与后级电路相连接；bypass二极管D4的阳极接至电感L的输入端，而bypass二极管D4的阴极连接到第一输出电容C3的正极，或者采用继电器K代替bypass二极管D4，通过控制继电器K的吸合而使系统工作在bypass模式时，进一步减少系统损耗；采样及控制单元分别从输入电源端采样输入电源端的电压u_pv和电流i_pv，,从交流输出端采样第一交流输出电压u_dc1、第二交流输出电压u_dc2,和第三交流输出电压u_dc3，所述输入电源端的电压u_pv和电流i_pv的采样点位于输入电源的正极处，所述第一交流输出电压u_dc1的采样点位于第二二极管D2的阴极端，所述第二交流输出电压u_dc2的采样点位于钳位二极管D3的阴极端，所述第三交流输出电压u_dc3的采样点位于第一二极管D1的阴极端，所述采样及控制单元的输出驱动信号分别与第一升压开关管Q1的栅极和第二升压开关管Q2的栅极相连接，用于控制开关管的开关状态；

工作在bypass模式时，电源输出电流直接流经bypass二极管D4或继电器K到达后级电路，只需要一个bypass二极管，有效的降低系统损耗，提高逆变器效率，进而提高发电量；使用钳位二极管D3，分别将第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2高压侧的电压应力钳位至正负母线电压，即第一输出电容C3与第二输出电容C4两端的电压值，这样可选择耐压较低的开关管，进而可降低系统成本；

工作在升压模式，BOOST电路中的第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2交错导通，第一升压开关管Q1导通时，电流由输入电源流经电感L、第一升压开关管Q1、均压电容C2、第二二极管D2再经过后级电路回到输入电源的负极；而第二升压开关管Q2导通时，电流由输入电源流经电感L、第一二极管D1、均压电容C2、第二升压开关管Q2回到输入电源的负极；通过控制第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2的开通占空比，进而控制均压电容C2两端的电压，使其等于输出电压的一半，第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2的电压也被控制为输出电压值的一半，这样能够选择耐压较低的开关管，进而降低系统成本；使用bypass二极管D4时能够工作在交替导通模式，这样电感L的频率是开关管频率的两倍，有效减小电感L的体积、损耗以及成本，进而可降低系统损耗以及成本。

2.权利要求1所述三电平boost共地系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)、首先通过模数转换AD采样获取母线电压U_bus、均压电容电压U_middc；然后将母线电压U_bus的一半与均压电容电压U_middc作差后，通过PI控制器得到中点占空比MidD；

2)、采样Boost电感电流I_boost与电流参考值I_boost ^*作差后，通过PI控制器得到总占空比Duty；

3)、将总占空比Duty与中点占空比相减，然后与载波比较后得到第一升压开关管Q1的占空比Up_Duty；将总占空比Duty与中点占空比相加，然后与载波比较后得到第二升压开关管Q2的占空比Down_Duty；若总占空比Duty大于等于0.5，则第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2载波相位相差180°，实现第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2交错导通，若总占空比小于0.5，则第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2载波相位同步，实现第一升压开关管Q1与第二升压开关管Q2同开同关。