CN108429451B - 一种光伏系统用级联型多自举dc-dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光伏系统用级联型多自举DC‑DC变换器，包括输入电源Vin，输入电源Vin的正极连接电感L1的一端，电感L1的另一端分别连接续流二极管D1的阳极和续流二极管D2的阳极，续流二极管D1的阴极分别连接耦合电感的原边绕组L2的一端、电容C1的一端和钳位电容Cb的一端，耦合电感的原边绕组L2的另一端分别连接续流二极管D4的阳极、电容C3的一端、续流二极管D2的阴极和开关管S的漏极，电容Cb的另一端分别连接钳位二极管Db的阴极和续流二极管D3的阳极，电容C3的另一端分别连接钳位二极管Db的阳极和耦合电感副边绕组L3的一端，耦合电感副边绕组L3的另一端分别连接续流二极管D4的阴极和电容C2的一端。

Description

一种光伏系统用级联型多自举DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及DC-DC变换器，特别是涉及一种光伏系统用级联型多自举DC-DC变换器。
背景技术
随着传统化石能源的日趋枯竭和人类生存环境的日益恶化，清洁型的可再生能源的发展已经到了迫在眉睫的地步，世界各国都在致力于研究和开发新能源的应用，其中太阳能和风能已经得到了较为广泛的应用。不过对于这些系统，如何并网运行、满足电网中的高电压需要仍然是最重要的问题。目前，大量的升压转换器被开发出来满足这些应用，在不同的转换器中，传统的BOOST变换器理论上可以通过提高占空比来提高电压增益。但是实际应用中，由于寄生参数的限制，无法实现非常高的电压增益。若采用级联型的拓扑结构，器件数量增加所带来的效率不高的问题又会凸显。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够提高效率和高增益比的光伏系统用级联型多自举DC-DC变换器。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的一种光伏系统用级联型多自举DC-DC变换器。包括输入电源Vin，输入电源Vin的正极连接电感L1的一端，电感L1的另一端分别连接续流二极管D1的阳极和续流二极管D2的阳极，续流二极管D1的阴极分别连接耦合电感的原边绕组L2的一端、电容C1的一端和钳位电容Cb的一端，耦合电感的原边绕组L2的另一端分别连接续流二极管D4的阳极、电容C3的一端、续流二极管D2的阴极和开关管S的漏极，电容Cb的另一端分别连接钳位二极管Db的阴极和续流二极管D3的阳极，电容C3的另一端分别连接钳位二极管Db的阳极和耦合电感副边绕组L3的一端，耦合电感副边绕组L3的另一端分别连接续流二极管D4的阴极和电容C2的一端，电容C2的另一端分别连接续流二极管D3的阴极和输出二极管Do的阳极，输出整流二极管Do的阴极分别连接输出电容Co的一端和负载电阻R的一端，输出电容Co的另一端、负载电阻R的另一端、开关管S的源极和电容C1的另一端分别连接输入电源Vin的负极。
有益效果：本发明公开了一种光伏系统用级联型多自举DC-DC变换器，与现有技术相比，具有以下的有益效果：
1)本发明融合了多自举的升压单元结构，与传统的升压变换器相比，升压性能得到提高；与传统的单自举结构的升压单元相比较，随着占空比的增加，该转换器具有优越的升压电压性能；
2)本发明融合了级联型升压结构，在不增加开关管S数量的基础上，有效地提高了电压增益，而且开关管S和输出整流二极管Do的电应力不会受到影响；
3)本发明融合了耦合电感结构，显著提高了升压能力，也提高了变换器应用场合的灵活性，变换器在占空比较高时，升压能力和电路的工作效率有更加优越的优势，更适合应用在中大功率场合。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中升压变换器的电路图；
图2为本发明具体实施方式中升压变换器的等效电路图；
图3为本发明具体实施方式中升压变换器的模态图；
图4为本发明具体实施方式中升压变换器的第一种开关模态的等效图；
图5为本发明具体实施方式中升压变换器的第二种开关模态的等效图；
图6为本发明具体实施方式中升压变换器的第三种开关模态的等效图；
图7为本发明具体实施方式中升压变换器的第四种开关模态的等效图；
图8为本发明具体实施方式中升压变换器的第五种开关模态的等效图；
图9为本发明具体实施方式中升压变换器的第六种开关模态的等效图；
图10为本发明具体实施方式中升压变换器的开关管S栅源两端的电压、输出电压Vo和输出整流二极管Do的电流的波形图；
图11为本发明具体实施方式中升压变换器的开关管S栅源两端的电压、耦合电感原边绕组L2的电流和耦合电感原边绕组L2两端的电压的波形图；
图12为本发明具体实施方式中升压变换器的开关管S栅源两端的电压、电容C3的电流和电容C4的电流的波形图；
图13为本发明具体实施方式中升压变换器的开关管S栅源两端的电压、续流二极管D3的电流和续流二极管D4的电流的波形图；
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本发明具体实施方式公开了一种光伏系统用级联型多自举DC-DC变换器，如图1所示，包括输入电源Vin，输入电源Vin的正极连接电感L1的一端，电感L1的另一端分别连接续流二极管D1的阳极和续流二极管D2的阳极，续流二极管D1的阴极分别连接耦合电感的原边绕组L2的一端、电容C1的一端和钳位电容Cb的一端，耦合电感的原边绕组L2的另一端分别连接续流二极管D4的阳极、电容C3的一端、续流二极管D2的阴极和开关管S的漏极，电容Cb的另一端分别连接钳位二极管Db的阴极和续流二极管D3的阳极，电容C3的另一端分别连接钳位二极管Db的阳极和耦合电感副边绕组L3的一端，耦合电感副边绕组L3的另一端分别连接续流二极管D4的阴极和电容C2的一端，电容C2的另一端分别连接续流二极管D3的阴极和输出二极管Do的阳极，输出整流二极管Do的阴极分别连接输出电容Co的一端和负载电阻R的一端，输出电容Co的另一端、负载电阻R的另一端、开关管S的源极和电容C1的另一端分别连接输入电源Vin的负极。其中，开关管S为MOSFET或者IGBT。
耦合电感原边绕组L1的等效电路为漏感LK和励磁电感LM，原边理想变压器匝数N1、副边理想变压器匝数N2。如图2所示。输入电源的电流为iin，输入电源的电压为Vin，电感L1电流为
Figure BDA0001595582170000031
电感L1两侧的电压为
Figure BDA00015955821700000330
耦合电感原边绕组励磁电感LM的电流为
Figure BDA0001595582170000032
耦合电感原边绕组励磁电感LM两侧的电压为耦合电感原边绕组漏感LK的电流为耦合电感原边绕组漏感LK两侧的电压为
Figure BDA0001595582170000035
耦合电感副边绕组L3的电流为
Figure BDA0001595582170000036
耦合电感副边绕组L3两侧的电压为
Figure BDA0001595582170000037
输出整流二极管Do的电流为
Figure BDA0001595582170000038
输出整流二极管Do两端的电压为流过开关管S的电流为iS，开关管S两端的电压为VS，二极管Db的电流为
Figure BDA00015955821700000310
二极管Db两端的电压为二极管D1的电流为二极管D1两端的电压为
Figure BDA00015955821700000312
二极管D2的电流为
Figure BDA00015955821700000313
二极管D2两端的电压为
Figure BDA00015955821700000314
二极管D3的电流为
Figure BDA00015955821700000315
二极管D3两端的电压为
Figure BDA00015955821700000316
二极管D4的电流为
Figure BDA00015955821700000317
二极管D4两端的电压为
Figure BDA00015955821700000318
二极管Cb的电流为
Figure BDA00015955821700000319
二极管Cb两端的电压为
Figure BDA00015955821700000320
电容C1的电流为
Figure BDA00015955821700000321
电容C1两端的电压为
Figure BDA00015955821700000322
电容C2的电流为电容C2两端的电压为
Figure BDA00015955821700000324
电容C3的电流为
Figure BDA00015955821700000325
电容C3两端的电压为输出电容Co的电流为
Figure BDA00015955821700000327
输出电容Co两端的电压为
Figure BDA00015955821700000328
负载电阻R的电流为io。
图3为升压变换器的模态图。升压变换器的工作过程分为6个开关模态，分别为第一种开关模态至第六种开关模态，电阻R为负载，具体描述如下：
第一种开关模态，对应图3中的[t0,t1]：等效电路图4所示，开关管S和续流二极管D2、输出二极管Do导通，电流的流通途径如图4所示，电源给电感L1充电，电感L1储存能量，同时，电容C1给耦合电感的原边绕组L2充电，耦合电感的副边绕组L3通过输出二极管Do、电容C2、电容C3、电容C1和耦合电感的原边绕组L2构成的回路续流到输出电容Co和负载R上。
第二种开关模态，对应图3中的[t1,t2]：等效电路图5所示，开关管S和续流二极管D2、续流二极管D3导通，电流的流通途径如图5所示，电源继续给电感L1充电，电感L1继续储存能量，电容C1继续给耦合电感的原边绕组L2充电，同时电容C1通过钳位电容Cb、续流二极管D3、电容C3、耦合电感副边绕组L3和开关管S构成的回路给电容C2充电，输出电容Co放点给负载R。
第三种开关模态，对应图3中的[t2,t3]：等效电路图6所示，开关管S和续流二极管D2、续流二极管D3和续流二极管D4导通，电流的流通途径如图6所示，电源继续给电感L1充电，电感L1继续储存能量，电容C1继续给耦合电感的原边绕组L2充电，耦合电感原边绕组L2的电压不断升高，同时，耦合电感副边绕组L3的电压也不断升高，耦合电感副边绕组L3通过续流二极管D4给电容C3充电。电容C1继续给电容C2充电，输出电容Co放点给负载R。
第四种开关模态，对应图3中的[t3,t4]：等效电路图7所示，开关管S在t3时关断，同时，续流二极管D1和钳位二极管Db开通，续流二极管D2和续流二极管D3关断，电流的流通途径如图7所示，电源和电感L1给电容C1充电，耦合电感原边绕组漏感LK能量通过钳位二极管Db个和钳位电容Cb构成的回路释放，耦合电感副边绕组L3通过续流二极管D4继续给电容C3充电，输出电容Co放点给负载R。
第五种开关模态，对应图3中的[t4,t5]：等效电路图8所示，开关管继续关断，同时，续流二极管D1继续开通，输出整流二极管Do开通，续流二极管D4关断，续流二极管D2和续流二极管D3继续关断，电流的流通途径如图8所示，电源、电感L1、耦合电感原边绕组L2、耦合电感副边绕组L3、电容C2和电容C3同时释放能量给负载，并且给电容C1、电容C2和输出电容Co充电，耦合电感原边绕组漏感LK能量继续通过钳位二极管Db个和钳位电容Cb构成的回路释放。
第六种开关模态，对应图3中的[t5,t6]：等效电路图9所示，开关管继续关断，，同时续流二极管D1和输出整流二极管Do继续开通，续流二极管D4关断，电流的流通途径如图9所示，，电源、电感L1、耦合电感原边绕组L2、耦合电感副边绕组L3、电容C2和电容C3同时释放能量给负载，并且给电容C1、电容C2和输出电容Co充电，耦合电感漏感LK能量释放结束，钳位二极管Db关断。
由上述分析可得增益表达式为：
Figure BDA0001595582170000051
其中D为开关管S的占空比，N为耦合电感原边副边的匝数比，K为耦合电感的耦合系数。
变换器按照第一种开关模态至第六种开关模态工作时，电路中开关管S栅源电压、耦合电感原边绕组L2两端电压和电流、输出整流二极管Do的电流、续流二极管D3的电流、续流二极管D4的电流、电容C3的电流和电容C4的电流的波形具体描述如下：
在图10中，输入电压Vin＝24V，输出电压Vo＝400V，开关管S的栅源两端的电压差VGS的纵坐标为10伏/单元格，输出二极管Do的电流
Figure BDA0001595582170000052
纵坐标为2安/单元格，输出电压Vo纵坐标为100伏/单元格。
在图11中，输入电压Vin＝24V，输出电压Vo＝400V，开关管S的栅源两端的电压差VGS的纵坐标为10伏/单元格,耦合电感原边绕组L2的电压
Figure BDA0001595582170000053
纵坐标为25伏/单元格，耦合电感原边绕组L2的电流
Figure BDA0001595582170000054
纵坐标为5安/单元格。
在图12中，输入电压Vin＝24V，输出电压Vo＝400V，开关管S的栅源两端的电压差VGS的纵坐标为10伏/单元格，电容C3的电流
Figure BDA0001595582170000055
纵坐标为5安/单元格，电容C4的电流
Figure BDA0001595582170000056
纵坐标为10安/单元格。
在图13中，输入电压Vin＝24V，输出电压Vo＝400V，开关管S的栅源两端的电压差VGS的纵坐标为10伏/单元格，二极管D3的电流
Figure BDA0001595582170000057
纵坐标为2.5安/单元格,二极管D4的电流纵坐标为5安/单元格。

Claims (1)

1.一种光伏系统用级联型多自举DC-DC变换器，其特征在于：包括输入电源Vin，输入电源Vin的正极连接电感L1的一端，电感L1的另一端分别连接续流二极管D1的阳极和续流二极管D2的阳极，续流二极管D1的阴极分别连接耦合电感的原边绕组L2的一端、电容C1的一端和钳位电容Cb的一端，耦合电感的原边绕组L2的另一端分别连接续流二极管D4的阳极、电容C3的一端、续流二极管D2的阴极和开关管S的漏极，电容Cb的另一端分别连接钳位二极管Db的阴极和续流二极管D3的阳极，电容C3的另一端分别连接钳位二极管Db的阳极和耦合电感副边绕组L3的一端，耦合电感副边绕组L3的另一端分别连接续流二极管D4的阴极和电容C2的一端，电容C2的另一端分别连接续流二极管D3的阴极和输出二极管Do的阳极，输出整流二极管Do的阴极分别连接输出电容Co的一端和负载电阻R的一端，输出电容Co的另一端、负载电阻R的另一端、开关管S的源极和电容C1的另一端分别连接输入电源Vin的负极。
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