CN109742944B - 基于Buck-Boost型高增益升压变换器 - Google Patents

基于Buck-Boost型高增益升压变换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Buck‑Boost型高增益升压变换器，包括：输入电源Vin一端与第一开关管S1一端相连，第一开关管S1另一端、第一电感L1一端、第二电容C2一端和第一二极管D1一端相连，第二电容C2的另一端、第二二极管D2一端和第三二极管D3一端相连，第一二极管D1另一端、负载RL一端和第一电容C1一端相连，第三二极管D3另一端、第三电容C3一端和负载RL另一端相连，输入电源Vin另一端、第一电感L1另一端、第二二极管D2另一端、第三电容C3另一端和第一电容C1另一端相连。该变换器具有高电压增益、低电压应力、无过高的脉冲电流的特点，能够适用于光伏发电领域，实现光伏发电并网。

Description

基于Buck-Boost型高增益升压变换器
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种基于Buck-Boost型高增益升压变换器。
背景技术
随着全球电力负荷的不断增加，而传统化石能源的储量有限，因此太阳能发电等新能源发电技术近些年备受关注并快速发展。光伏电池的输出电压比较低，一般为20～50V，因此需要将低压直流电变换到400V直流电，实现新能源并网的功能。
对于将20～50V电压转换到400V直流电主要通过两种方式实现：其一便是通过将光伏电池板串联来提高输出电压，但是该种方式使光伏板在有局部遮挡情况下出现热斑现象，影响系统的安全可靠性；其次通过功率优化器串联方式，既能实现提升直流电压、又能实现光伏板最大功率追踪功能，但是某一个功率优化器的损坏会影响到整串变换器正常工作，冗余性不高；除此之外，还可以通过高增益直流变换器，直接将20～50V电压变换到400V，实现多个光伏电池板并联放电，实现单块电池板的最大功率点追踪以及并网发电功能。
对于高增益变换器来说，传统Boost变换器和Buck-Boost变换器在理论上电压增益可以无限大，但是电压增益的提升，二极管的反向恢复特性越来越差，使得反向恢复电流增大、开关损耗增加；同时随着电压的提升变换器的效率由于器件的寄生参数存在而大幅度降低，因此传统Boost变换器的电压增益一般不能超过5，传统Buck-Boost变换器的电压增益更低。
因此，应用于光伏发电领域的实现较高的电压增益的拓扑仍然需要进一步研究与开发。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种基于Buck-Boost型高增益升压变换器。
为达到上述目的，本发明提出了基于Buck-Boost型高增益升压变换器，包括：输入电源Vin一端与第一开关管S1一端相连，第一开关管S1另一端、第一电感L1一端、第二电容C2一端和第一二极管D1一端相连，第二电容C2的另一端、第二二极管D2一端和第三二极管D3一端相连，第一二极管D1另一端、负载RL一端和第一电容C1一端相连，第三二极管D3另一端、第三电容C3一端和负载RL另一端相连，输入电源Vin另一端、第一电感L1另一端、第二二极管D2另一端、第三电容C3另一端和第一电容C1另一端相连。
其中，所述输入电源Vin、所述第一开关管S1、所述第一电感L1、所述第一二极管D1、所述第一电容C1和所述负载RL组成Buck-Boost变换器；所述第二二极管D2、所述第三二极管D3、所述第二电容C2和所述第三电容C3构成升压单元。
根据本发明实施例提出的基于Buck-Boost型高增益升压变换器，具有高电压增益的特点，同时，二极管和电容组成的升压电路没有较高的脉冲电流产生，电流应力小，有效地提高变换器的效率，从而使得变换器能够适用于光伏发电领域，实现光伏发电并网。
另外，根据本发明上述实施例的基于Buck-Boost型高增益升压变换器还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过升压单元中电容的电压箝位功能，实现高电压增益功能，具体地，所述高增益升压变换器还包括：输出源Vout，所述输出源Vout的输出电压由所述第一电容C1和所述第三电容C3串联得到，其中，所述第一电容C1为所述Buck-Boost变换器输出电压，所述第三电容C3是所述升压单元输出电压，通过将两部分电压串联，以提升变换器电压增益。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述高增益升压变换器的电压增益表达式，如下：
Figure BDA0001908706710000021
其中，M为所述高增益升压变换器的电压增益，Vout为所述负载RL两端的电压，Vin为所述输入源的电压，D为所述第一开关管S1的占空比。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述高增益升压变换器在电感连续模式下有两种工作模态，包括：第一工作模态和第二工作模态。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一工作模态包括：当所述第一开关管S1导通时，所述第一二极管D1、所述第二二极管D2关断，所述第三二极管D3导通；所述输入电源Vin向所述第一电感L1充电；所述输入电源Vin和所述第二电容C2串联向所述第三电容C3充电；所述第一电容C1和所述第三电容C3串联向所述负载RL供电。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第二工作模态包括：所述第一开关管S1断开，此时所述第一二极管D1、所述第二二极管D2导通，所述第三二极管D3关断；所述第一电感L1向所述第二电容C2充电；所述第一电感L1向所述第一电容C1充电；所述第一电容C1和所述第三电容C3串联向所述负载RL供电。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的基于Buck-Boost型高增益升压变换器结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的基于Buck-Boost型高增益升压变换器的第一工作模态的结构示意图；
图3为根据本发明一个实施例的基于Buck-Boost型高增益升压变换器的第二工作模态的结构示意图；
图4为根据本发明一个实施例的基于Buck-Boost型高增益升压变换器和传统Buck-Boost变换器的电压增益对比示意图；
图5为根据本发明一个实施例的基于Buck-Boost型高增益升压变换器理论分析参考方向和符号定义示意图；
图6为根据本发明一个实施例的基于Buck-Boost型高增益升压变换器的主要工作波形的示意图；
图7为根据本发明一个实施例的基于Buck-Boost型高增益升压变换器主要工作波形仿真结果示意图；
图8为根据本发明一个实施例的基于Buck-Boost型高增益升压变换器电流应力仿真结果示意图；
图9为根据本发明一个实施例的基于Buck-Boost型高增益升压变换器电压应力仿真结果示意图；
图10为根据本发明一个实施例的基于Buck-Boost型高增益升压变换器输出电压箝位仿真结果的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于Buck-Boost型高增益升压变换器。
图1是本发明一个实施例的基于Buck-Boost型高增益升压变换器结构示意图。
如图1所示，该基于Buck-Boost型高增益升压变换器10包括：输入电源Vin、第一开关管S1、第一电感L1、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和负载RL。
其中，本发明实施例中的连接方式为：输入电源Vin一端与第一开关管S1一端相连，第一开关管S1另一端、第一电感L1一端、第二电容C2一端和第一二极管D1一端相连，第二电容C2的另一端、第二二极管D2一端和第三二极管D3一端相连，第一二极管D1另一端、负载RL一端和第一电容C1一端相连，第三二极管D3另一端、第三电容C3一端和负载RL另一端相连，输入电源Vin另一端、第一电感L1另一端、第二二极管D2另一端、第三电容C3另一端和第一电容C1另一端相连。
需要说明的是，输入电源Vin、第一开关管S1、第一电感L1、第一二极管D1、第一电容C1和负载RL组成传统的Buck-Boost变换器。第二二极管D2、第三二极管D3、第二电容C2和第三电容C3构成升压单元。其中，高增益升压变换器中第一开关管S1、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3具有低电压应力的特点，且升压单元不存在很高的脉冲电流。
另外，本发明实施例的高增益变换器是通过升压单元中电容的电压箝位功能，实现高电压增益功能；高增益变换器具有电压应力低的特点，二极管和开关管的电压应力均小于输出电压，高增益变换器的电容充放电没有较大的脉冲电流，因此其二极管电流应力和损耗较小。
也就是说，本发明实施例是通过在传统Buck-Boost变换器中加入由第二二极管D2、第三二极管D3、第二电容C2和第三电容C3构成的升压单元，从而使得变换器具有比传统Buck-Boost变换器更高的电压增益。
进一步地，在本发明的一个实施例中，高增益升压变换器在电感连续模式下有两种工作模态，包括：第一工作模态和第二工作模态。
进一步地，在本发明的一个实施例中，第一工作模态包括：当所述第一开关管S1导通时，所述第一二极管D1、所述第二二极管D2关断，所述第三二极管D3导通；所述输入电源Vin向所述第一电感L1充电；所述输入电源Vin和所述第二电容C2串联向所述第三电容C3充电；所述第一电容C1和所述第三电容C3串联向所述负载RL供电。
具体而言，如图2所示，第一工作模态包括：当第一开关管S1导通时，第一二极管D1、第二二极管D2关断，第三二极管D3导通；输入电源Vin向第一电感L1充电，第一电感L1电流iL1上升；输入电源Vin和第二电容C2串联向第三电容C3充电；第二电容C2电压vC2正向上升，第三电容C3电压vC3正向上升；第一电容C1和第三电容C3串联向负载供电，第一电容电压vC1正向上升。
Figure BDA0001908706710000041
其中，t0、t1为第一工作模态的起始和结束时间。
进一步地，在本发明的一个实施例中，第二工作模态包括：所述第一开关管S1断开，此时所述第一二极管D1、所述第二二极管D2导通，所述第三二极管D3关断；所述第一电感L1向所述第二电容C2充电；所述第一电感L1向所述第一电容C1充电；所述第一电容C1和所述第三电容C3串联向所述负载RL供电。
具体地，如图3所示，第二工作模态包括：第一开关管S1断开，此时第一二极管D1、第二二极管D2导通，第三二极管D3关断；第一电感L1向第二电容C2充电，第一电感L1电流iL1下降，第二电容C2电压vC2正向下降；第一电感L1向第一电容C1充电，第一电容C1电压vC1正向下降；第一电容C1和第三电容C3串联向负载RL供电，第三电容电压vC3正向下降。
Figure BDA0001908706710000051
其中，t1、t2为第二工作模态的起始和结束时间。
进一步地，在本发明的一个实施例中，高增益升压变换器的电压增益表达式，如下：
Figure BDA0001908706710000052
其中，M为高增益升压变换器的电压增益，Vout为负载RL两端的电压，Vin为输入源的电压，D为第一开关管S1的占空比。
需要说明的是，本发明实施例的高增益变换器适用于光伏电池发电技术领域。
如图4所示，本发明实施例的基于Buck-Boost型高增益升压变换器与传统Buck-Boost变换器相比较，可以看出本发明实施例所提出的变换器具有较高的电压增益，能够有效实现电压提升功能。
下面结合一个具体实施例对本发明实施例的基于Buck-Boost型高增益升压变换器进行仿真验证。
为了验证图5和图6所提出高增益变换器的理论分析，根据下面表1中的仿真参数搭建了仿真平台。
表1
Figure BDA0001908706710000053
首先，通过对比图7的仿真结果和图6的理论分析波形图，可以发现两个波形变化趋势都相同，证明了理论分析和工作模态分析的正确性。
进一步地，根据理论分析，在表1的参数下，如公式3所示，可以计算本实施例的高增益变换器的输出电压为233V；与此同时可以计算传统Buck-Boost变换器的输出电压的绝对值为100V，因此可以得到新型高增益变换器的输出电压相对于传统Buck-Boost变换器增加了一倍多，有效的提高了传统Buck-Boost变换器电压增益，具有较高的电压增益，适用于提升光伏电池的输出电压至较高的直流电压。
Figure BDA0001908706710000061
Figure BDA0001908706710000062
如图8所示，通过仿真结果分析可以得到，本发明实施例的高增益变换器中第一开关管S1、第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3的电压应力都为130V，在相同占空比情况下与传统Buck-Boost变换器具有相同的电压应力，且新型高增益变换器的器件电压应力小于变换器的输出电压，因此本发明实施例的高增益变换器具有低电压应力的特点。
如图9所示，通过仿真结果可以得到，第一开关管S1、第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3的电流没有过高的脉冲电流，电流应力小，提高变换器的转化效率。
进一步地，如图10所示，输出源Vout、第一电容C1和第三电容C3的电压仿真波形，验证了输出电压是由第一电容C1和第三电容C3串联得到的，其中，第一电容C1为传统Buck-Boost变换器的输出电压，而第三电容C3电压是升压单元的输出电压，通过将两部分电压串联，使得输出电压升高，使得变换器的电压增益更高。
总之，根据表1所列参数而搭建的仿真平台的仿真结果验证了理论分析的正确性，进一步有力证明了本发明实施例的新型高增益变换器所具备高电压增益、低器件电压应力、无过高的脉冲电流的优势。因此在本发明的一个实施例中，基于Buck-Boost型高增益升压变换器相比传统的Buck-Boost来说，具有较高的电压增益，电压增益为(1+D)/(1-D)，其中，D为第一开关管S1的占空比，并且开关管和二极管的电压应力传统Buck-Boost相同。同时，基于Buck-Boost型高增益升压变换器中由二极管和电容组成的升压电路中没有较高的脉冲电流产生，电流应力小，能够提高变换器的效率。因此本发明实例能够为光伏发电领域提供一种简单实用的拓扑结构。
根据本发明实施例提出的基于Buck-Boost型高增益升压变换器，通过升压单元中电容的电压箝位功能，实现高电压增益功能，同时，由二极管和电容组成的升压电路中没有较高的脉冲电流产生，电流应力小，有效地提高变换器的效率，从而使得变换器能够适用于光伏发电领域，实现光伏发电并网。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种基于Buck-Boost型高增益升压变换器，其特征在于，包括：输入电源Vin一端与第一开关管S1一端相连，第一开关管S1另一端、第一电感L1一端、第二电容C2一端和第一二极管D1阴极相连，第二电容C2的另一端、第二二极管D2阴极和第三二极管D3阳极相连，第一二极管D1阳极、负载RL一端和第一电容C1一端相连，第三二极管D3阴极、第三电容C3一端和负载RL另一端相连，输入电源Vin另一端、第一电感L1另一端、第二二极管D2阳极、第三电容C3另一端和第一电容C1另一端相连；
其中，所述输入电源Vin、所述第一开关管S1、所述第一电感L1、所述第一二极管D1、所述第一电容C1和所述负载RL组成Buck-Boost变换器；所述第二二极管D2、所述第三二极管D3、所述第二电容C2和所述第三电容C3构成升压单元；
所述基于Buck-Boost型高增益升压变换器的电压增益是所述Buck-Boost变换器的(1/D+1)倍。
2.根据权利要求1所述的基于Buck-Boost型高增益升压变换器，其特征在于，所述高增益升压变换器的电压增益表达式，如下：
Figure FDA0002474136640000011
其中，M为所述高增益升压变换器的电压增益，Vout为所述负载RL两端的电压，Vin为所述输入电源的电压 ，D为所述第一开关管S1的占空比。
3.根据权利要求1所述的基于Buck-Boost型高增益升压变换器，其特征在于，所述高增益升压变换器在电感连续模式下有两种工作模态，包括：第一工作模态和第二工作模态。
4.根据权利要求3所述的基于Buck-Boost型高增益升压变换器，其特征在于，所述第一工作模态包括：
当所述第一开关管S1导通时，所述第一二极管D1、所述第二二极管D2关断，所述第三二极管D3导通；所述输入电源Vin向所述第一电感L1充电；所述输入电源Vin和所述第二电容C2串联向所述第三电容C3充电；所述第一电容C1和所述第三电容C3串联向所述负载RL供电。
5.根据权利要求3所述的基于Buck-Boost型高增益升压变换器，其特征在于，所述第二工作模态包括：
所述第一开关管S1断开，此时所述第一二极管D1、所述第二二极管D2导通，所述第三二极管D3关断；所述第一电感L1向所述第二电容C2充电；所述第一电感L1向所述第一电容C1充电；所述第一电容C1和所述第三电容C3串联向所述负载RL供电。
6.根据权利要求1所述的基于Buck-Boost型高增益升压变换器，其特征在于，所述高增益升压变换器还包括：输出源Vout，所述输出源Vout的输出电压由所述第一电容C1和所述第三电容C3串联得到，其中，所述第一电容C1为所述Buck-Boost变换器输出电压，所述第三电容C3是所述升压单元输出电压，通过将两部分电压串联，以提升变换器电压增益。
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