CN109217657A - 一种新型高增益直流升压变换器 - Google Patents

一种新型高增益直流升压变换器 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种新型高增益直流升压变换器的拓扑结构，该变换器拓扑结构单元包括：LS网络，CD网络；所述LS网络，采用两个开关管和电感串联的模块相互倒装并联而成；所述CD网络，采用两个电容C1、C2串联，在两串联电容之间接入二极管D2的正极，在电容C2的正极连接二极管D1的负极形成三端网络。本发明提供的一种新型高增益直流升压变换器，用于两级式光伏发电系统中的直流升压环节。其具有电压增益高，控制方法简单，开关管电压应力较小的优点。

Description

一种新型高增益直流升压变换器
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种新型高增益直流升压变换器。
背景技术
随着科技的发展，人类对能源的需求量越来越大，但由于化石能源的不可再生且其日益枯竭加之环境污染的日益严重，人们对新型可再生、清洁无污染的能源需求愈加强烈。鉴于太阳能取之不尽用之不竭且清洁无污染的特质，克服了传统化石能源的弊端，进而得到了大量的研究与利用。
在利用太阳能发电的光伏发电系统中，光伏阵列输出的低压直流电压都是通过一直流升压变换器与高压直流母线相连，再直接给用电设备使用电能或通过并网逆变器与电网相连。在这个过程中的直流升压变换器是否能有效的把光伏板输出的33-43V的低压直流电源升高到380/760V的高压直流电，成为了光伏发电系统是否能高效转换太阳能的关键。
虽然Boost变换器当占空比接近1时，在理论上其电压增益可以接近无穷大，但随着开关关断时间的缩短：其电感电流纹波，功率器件峰值电流和输出电流纹波都将逐渐变大；其有源开关管和无源开关管的电压应力等于输出电压，过大的电压应力会大大增加变换器的功率损耗降低变换器的传输效率。所以基本Boost变换器在实际应用中为了保证一定的变换效率，其一般只适用于电压增益不大于6的场合。
为了提高电压增益和变换器的能量传输效率，现阶段已提出了大量的用于光伏发电系统中的高增益DC-DC升压变换器。一些文献通过在Boost 电路中引入开关电感的方式，给出了该拓扑在理想条件下的稳态分析，具有简单的控制策略，但该变换器拓扑中开关管的电压应力仍然较高，而其电压增益依然较低。有些文献采用Boost电路多电平输出的方式来实现电压高增益，但要实现高增益的前提是必须增加输出电压的电平数，即电容数量也要随着增加，这大大增加了拓扑结构的复杂性。部分文献采用两个升压变换器前后级联的方式来实现电压的高增益，但是其前后两升压变换器之间存在控制的节拍差，且其后级升压电路中的开关管的电压应力仍然无可避免的高。另一些文献通过在Boost电路中引入开关电容的方式，实现电压的高增益，但随着电压增益的提升，电路中二极管和电容数量也必将大量增加，必将导致其硬件成本的增加。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种控制方法简单、电压增益较高的一种新型高增益直流升压变换器。
具体的技术方案为：
一种新型高增益直流升压变换器，该变换器拓扑单元包括：LS网络，CD网络；
所述LS网络，采用两个开关管和电感串联的模块相互倒装并联而成；
所述CD网络，采用两个电容C1、C2串联，在两串联电容之间接入二极管D2的正极，在电容C2的正极连接二极管D1的负极形成三端网络。
具体的：电感L1的上端和开关管S2的上端相连，直接接低压直流输入电源的正极；电感L1下端和开关管S1上端相连；开关管S2下端和电感L2上端相连；开关管S1的下端和电感L2的下端相连，直接接入低压直流输入电源的负极；二极管D1的正极与开关管S2的上端相连，负极与电容C2的正极相连；电容C2的负极分别与二极管D2的正极、电容C1的负极相连；二极管D2的负极与开关管S2的下端相连；电容C1的正极与电感L1的下端相连；负载Rd与电容C2并联。
所述的一种新型高增益直流升压变换器，对应的三个工作模态分别为：
第一工作模态：开关管S1、开关管S2和二极管D1导通，二极管D2截止；
第二工作模态：开关管S1、开关管S2和二极管D1截止，二极管D2导通；
第三工作模态：开关管S1、开关管S2、二极管D1、二极管D2均截止。
该新型变换器，其特征在于，包括如权利要求1所述的拓扑单元，其中：
开关管S1和开关管S2采用同一控制信号，进行同步控制。
第一工作模态：电源电压UDC通过开关管S1给电感L1充电，此时流经电感L1的电流成线性增长；电源电压UDC通过开关管S2给电感L2充电，此时流经电感L2的电流成线性增长；电源电压UDC通过开关管S1和二极管D1与电容C1串联给电容C2充电；电容C2给负载Rd供电；
第二工作模态：此时电感L1的感应电动势UL1、电源电压UDC、电感L2的感应电动势UL2三者通过二极管D2串联后给电容C1充电，此时电感L1与电感L2的电流值呈线性减小；电容C2给负载Rd供电；
第三工作模态：此时电感L1与电感L2的电流值均为零。整个拓扑结构中仅有电容C2给负载Rd供电这一唯一电流回路。
本发明提供的一种新型高增益直流升压变换器的拓扑结构，由一个LS网络外加一个CD网络通过组合变形设计而来。该发明具有如下特点：在相同占空比的条件下，变换器具有2倍于传统Boost变换器的电压增益；变换器中两开关管的电压应力为输出电压的一半，即为传统Boost电路中开关管电压应力的一半；变换器中两电感的电流值一直相等而无需任何均流控制，且其中两开关管均由同一控制信号进行同步控制，故此变换器控制方法简单。在复杂的工程实际运用环境中具有良好的实用价值。
本发明提供的一种新型高增益直流升压变换器，用于两级式光伏发电系统中的直流升压环节。其具有电压增益高，控制方法简单，开关管电压应力小的优点。
附图说明
为了更清楚的阐述此一种新型高增益直流升压变换器的工作原理和工作模式，现对其各开关管的开断组合、其拓扑中主要元器件的各种电压电流信号、其拓扑结构中各种工作模式下的等效电路做附图介绍：
图1为本发明的拓扑结构图；
图2为实施例中电子元器件上流过的电流、加载的电压波形图；
图3为实施例工作在第一工作模态下时的等效电路图；
图4为实施例工作在第二工作模态下时的等效电路图；
图5为实施例工作在第三工作模态下时的等效电路图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1，其示出了本一种新型高增益直流升压变换器拓扑结构的连接方式。其中电感L1的上端和开关管S2的上端相连，直接接低压直流输入电源的正极；电感L1下端和开关管S1上端相连；开关管S2下端和电感L2上端相连；开关管S1的下端和电感L2的下端相连，直接接入低压直流输入电源的负极；二极管D1的正极与开关管S2的上端相连，负极与电容C2的正极相连；电容C2的负极分别与二极管D2的正极、电容C1的负极相连；二极管D2的负极与开关管S2的下端相连；电容C1的正极与电感L1的下端相连；负载Rd与电容C2并联。其中开关管S1和开关管S2采用同一控制信号，即对开关管S1和开关管S2进行同步控制。
如表1，其工作模态序号1、2示出了本一种新型高增益直流升压变换器在电感电流连续(CCM)模式下的开关导通、关断状态表图。
表1 在三种工作模态下时的开关管导通、关断状态表图
在CCM模式下该新型变换器对应的两种开关管工作模态为：
工作模态序号1：开关管S1、开关管S2和二极管D1导通，二极管D2截止；
工作模态序号2：开关管S1、开关管S2和二极管D1截止，二极管D2导通；
如图2a，其示出了本一种新型高增益直流升压变换器工作在CCM模式下时，电路中一些主要电子元器件的电压、电流波形。其中UC1、UC2分别为电容C1、C2两端的电压值，IL1和IL2分别为流过电感L1和电感L2的电流值，UD1和UD2分别为二极管D1、D2两端的电压波形。
如图3，此时电源电压UDC通过开关管S1给电感L1充电，此时流经电感L1的电流成线性增长；电源电压UDC通过开关管S2给电感L2充电，此时流经电感L2的电流成线性增长；电源电压UDC通过开关管S1和二极管D1与电容C1串联给电容C2充电；电容C2给负载Rd供电。
如图4，此时电感L1的感应电动势UL1、电源电压UDC、电感L2的感应电动势UL2三者通过二极管D2串联后给电容C1充电，此时电感L1与电感L2的电流值呈线性减小；电容C2给负载Rd供电。
实施例二
如图1，其示出了本一种新型高增益直流升压变换器拓扑结构的连接方式。其中电感L1的上端和开关管S2的上端相连，直接接低压直流输入电源的正极；电感L1下端和开关管S1上端相连；开关管S2下端和电感L2上端相连；开关管S1的下端和电感L2的下端相连，直接接入低压直流输入电源的负极；二极管D1的正极与开关管S2的上端相连，负极与电容C2的正极相连；电容C2的负极分别与二极管D2的正极、电容C1的负极相连；二极管D2的负极与开关管S2的下端相连；电容C1的正极与电感L1的下端相连；负载Rd与电容C2并联。其中开关管S1和开关管S2采用同一控制信号，即对开关管S1和开关管S2进行同步控制。
如表1，其工作模态序号1、2、3示出了本一种新型高增益直流升压变换器在电感电流断续(DCM)模式下的开关管导通、关断状态表图。在DCM模式下该新型变换器对应的三种开关工作模态为：
工作模态序号1：开关管S1、开关管S2和二极管D1导通，二极管D2截止；
工作模态序号2：开关管S1、开关管S2和二极管D1截止，二极管D2导通；
工作模态序号3：开关管S1、开关管S2、二极管D1、二极管D2均截止。
如图2b，其示出了本一种新型高增益直流升压变换器工作在DCM模式下时，电路中一些主要元器件的电压、电流波形。其中UC1、UC2分别为电容C1、C2两端的电压值，IL1和IL2分别为流过电感L1和电感L2的电流值，UD1和UD2分别为二极管D1、D2两端的电压波形。
如图3，此时电源电压UDC通过开关管S1给电感L1充电，此时流经电感L1的电流成线性增长；电源电压UDC通过开关管S2给电感L2充电，此时流经电感L2的电流成线性增长；电源电压UDC通过开关管S1和二极管D1与电容C1串联给电容C2充电；电容C2给负载Rd供电。
如图4，此时电感L1的感应电动势UL1、电源电压UDC、电感L2的感应电动势UL2三者通过二极管D2串联后给电容C1充电，此时电感L1与电感L2的电流值呈线性减小；电容C2给负载Rd供电。
如图5，此时电感L1与电感L2的电流值均为零。整个拓扑结构中仅有电容C2给负载Rd供电这一唯一电流回路。
需要说明的是，本说明书中各个实施案例都是采用递进的方式进行描述的,以上是对本发明所提出的一种新型高增益直流升压变换器进行了详细介绍，本文应用具体个例对本发明的原理及其实施方式进行了阐述，以上实施案例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。

Claims (6)

1.一种新型高增益直流升压变换器，其特征在于，该变换器拓扑单元包括，LS网络、CD网络；
所述LS网络，包括两个模块相互倒装并联，每个模块由一开关管和一电感串联组成；
所述CD网络，包括两个电容C1、C2串联，在两串联电容之间接入二极管D2的正极，在电容C2的正极连接二极管D1的负极，形成三端网络；
具体的，所述的LS网络包括电感L1、电感L2、开关管S1、开关管S2；
所述的CD网络包括二极管D1、二极管D2、电容C1、电容C2；
电感L1的上端和开关管S2的上端相连，直接接低压直流输入电源的正极；电感L1下端和开关管S1上端相连；开关管S2下端和电感L2上端相连；开关管S1的下端和电感L2的下端相连，直接接入低压直流输入电源的负极；二极管D1的正极与开关管S2的上端相连，负极与电容C2的正极相连；电容C2的负极分别与二极管D2的正极、电容C1的负极相连；二极管D2的负极与开关管S2的下端相连；电容C1的正极与电感L1的下端相连；负载Rd与电容C2并联。
2.根据权利要求1所述的一种新型高增益直流升压变换器，其特征在于，包括三个工作模态分别为：
第一工作模态：开关管S1、开关管S2和二极管D1导通，二极管D2截止；
第二工作模态：开关管S1、开关管S2和二极管D1截止，二极管D2导通；
第三工作模态：开关管S1、开关管S2、二极管D1、二极管D2均截止。
3.根据权利要求2所述的一种新型高增益直流升压变换器，其特征在于，所述的开关管S1和开关管S2采用同一控制信号，进行同步控制。
4.根据权利要求2所述的一种新型高增益直流升压变换器，其特征在于，所述的第一工作模态：电源电压UDC通过开关管S1给电感L1充电，此时流经电感L1的电流成线性增长；电源电压UDC通过开关管S2给电感L2充电，此时流经电感L2的电流成线性增长；电源电压UDC通过开关管S1和二极管D1与电容C1串联给电容C2充电；电容C2给负载Rd供电。
5.根据权利要求2所述的一种新型高增益直流升压变换器，其特征在于，所述的第二工作模态：电感L1的感应电动势UL1、电源电压UDC、电感L2的感应电动势UL2三者通过二极管D2串联后给电容C1充电，此时电感L1与电感L2的电流值呈线性减小；电容C2给负载Rd供电。
6.根据权利要求2所述的一种新型高增益直流升压变换器，其特征在于，所述的第三工作模态：电感L1与电感L2的电流值均为零，整个拓扑结构中仅有电容C2给负载Rd供电这一唯一电流回路。
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CN111130349A (zh) * 2020-01-15 2020-05-08 广东工业大学 一种h桥高增益升压变换器和开关电源

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