CN114285271A - 一种新型新能源升压变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型新能源升压变换器及其控制方法，新型变换器的电压增益为(2N+D‑ND)/(1‑D)，相比于传统的升压变换器，提高了电压增益，同时，针对新能源领域输入电压不确定性的问题，新型变换器滤波电容的电压应力可以根据输入电压与输出电压的不同实现灵活调整，有效的降低了滤波电容的电压应力，有利于减小电容体积，延长变换器的使用寿命，从而解决传统变换器在高增益情况下滤波电容电压应力较大、电容体积和成本较高的技术问题。同时也公开了一种应用于上述新型变换器的自适应控制方法，当负载发生波动时，可以通过该控制方法预测负载波动趋势，达到对开关器件的精准控制，从而提高系统的稳定性和控制精度。

Description

一种新型新能源升压变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及新能源电能变换领域，特别是涉及一种新型新能源升压变换器及其控制方法。

背景技术

随着经济的不断发展和科技的不断进步，人们对电能的需求越来越多，然而近年来全球面临环境污染严重以及石油等不可再生资源的消耗问题，新能源的高效利用开始受到重视，我国也提出在2035年实现“双碳”目标，在新能源领域如太阳能发电系统中，由于其发电效率受天气等因素的影响，对器件的要求较高，并且单个模块所产生的均为电压较低的直流电，而实际应用中所需的电压等级通常较高，因此需要一种高效率、高增益、低器件应力且性能稳定的升压变换器把低电压直流电转换为适合实际需要的高压直流电。

目前应用于太阳能发电领域的升压变换器大部分是传统Boost升压变换器，但这种变换器受到器件和结构等因素的限制，升压倍数通常都在10倍以内，难以满足高升压比的要求。因此如何提高变换器的增益、实现高性能的电能变换以及提高变换器在复杂情况的控制精度是该领域技术人员目前需要解决的问题。

本发明所设计的一种新型新能源升压变换器及其控制方法目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于耦合电感升压网络的高增益、性能稳定并且具有低器件应力的升压变换器，当负载不确定或未知时，可以根据该控制方法及时调整占空比信号，使输出电压趋于稳定值。一种新型新能源升压变换器适用于光伏发电系统等需要用到高增益高性能电力电子变换器的场合，可以有效解决传统变换器所存在的一些问题。

发明内容

本发明提供了一种新型新能源升压变换器，并提出相应的控制方法，可应用于光伏发电系统等需要高增益高性能变换器的场合，并且该变换器滤波电容的电压应力可以根据不同场合下输出电压与输入电压的差值灵活匹配，从而提高变换器性能，减小变换器的体积，延长变换器使用寿命，同时在变换器当中采用自适应控制方法，当负载发生波动时，能够通过所述主控制电路及时调整输出控制信号，达到稳定输出电压的目的，可用于解决新能源等领域中传统升压变换器存在的电压增益低、滤波电容承受电压应力大导致变换器体积大、成本高和重量大的问题。

针对上述技术问题，本发明提供了一种新型新能源升压变换器及其控制方法，所述新型新能源升压变换器能为负载提供较高的直流电压，也可以根据负载波动及时调整输出电压至稳定值，包括：直流电源、耦合电感升压网络、开关管、第一电感、第一电容、第三二极管、第四电容、负载、模块1电压传感器、模块2电流传感器、模块3负载预测电路、模块4主控制电路；

所述耦合电感升压网络包括耦合电感原边绕组、耦合电感副边绕组、第一二极管、第二电容、第二二极管、第三电容；

所述第一电感的第一端与所述直流电源的正极和所述第四电容的第二端连接；

所述第一电感的第二端与所述开关管的第二端和所述第一电容的第一端连接；

所述第一电容的第二端与所述耦合电感原边绕组的第二端、所述第一二极管的阳极和所述第二电容的第二端连接；

所述开关管的第一端与所述直流电源的负极、所述耦合电感原边绕组的第一端和所述负载的第二端连接；

所述第一二极管的阴极与所述耦合电感副边绕组的第二端和所述第三电容的第二端连接；

所述第二电容的第一端与所述耦合电感副边绕组的第一端和所述第二二极管的阳极连接；

所述第二二极管的阴极与所述第三电容的第一端和所述第三二极管的阳极连接；

所述第四电容的第一端与所述第三二极管的阴极和所述负载的第一端连接；

所述模块1电压传感器并联于负载两端，用于实时采集负载电压值，并将电压值反馈给所述模块3负载预测电路；

所述模块2电流传感器串联于所述第一电感的第二端和所述开关管的第二端，用于采集所述第一电感支路的电流值，并将电流值反馈给所述模块4主控制电路；

所述模块4主控制电路与所述模块2电流传感器的输出端、所述模块3负载预测电路的输出端和所述开关管的第三端连接。

优选地，所述电压传感器为霍尔电压传感器。

优选地，所述电流传感器为霍尔电流传感器。

所述的一种新型新能源升压变换器的控制方法，其特征在于，所述模块4主控制电路用于产生占空比信号，通过PWM模块和驱动电路产生驱动信号驱动开关管。

可选地，所述耦合电感升压网络当中，可以根据不同电路的需求合理选取所述耦合电感原边绕组与所述耦合电感副边绕组的匝数比N以及耦合系数k的值。

可选地，所述开关管为NMOS管、GaN器件、SiC器件；

所述开关管的第一端为所述NMOS管、GaN器件、SiC器件的源极，所述开关管的第二端为所述NMOS管、GaN器件、SiC器件的漏极，所述开关管的第三端为所述NMOS管、GaN器件、SiC器件的栅极。

可选地，所述开关管为IGBT管；

所述开关管的第一端为所述IGBT管的发射极，所述开关管的第二端为所述IGBT管的集电极，所述开关管的第三端为所述IGBT管的基极。

所述的一种新型新能源升压变换器，其特征在于，所述第一电容、所述第二电容、所述第三电容和所述第四电容均为极性电容；

所述第一电容的第一端、所述第二电容的第一端、所述第三电容的第一端与所述第四电容的第一端均为正端；

所述第一电容的第二端、所述第二电容的第二端、所述第三电容的第二端与所述第四电容的第二端均为负端。

所述的一种新型新能源升压变换器，其特征在于，所述第四电容，即变换器滤波电容的电压应力为V_o-V_d，而传统的升压变压器滤波电容的电压应力为V_o。

从以上技术方案可以看出，本发明案例实施具有以下有益效果：

与现有的传统升压变换器相比，本发明电路具有更高的电压增益，并且能够降低滤波电容的电压应力，减小滤波电容的体积，同时新型新能源升压变换器的电压增益为(2N+D-ND)/(1-D)，能够根据所述耦合电感原边绕组与副边绕组的匝数比N以及占空比D来调节电压增益，使整个电路更加灵活；引入电压、电流两个反馈回路，能够提高变换器在复杂情况下的控制精度，使输出电压趋于稳定值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下文对现有技术和实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，下述附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种新型新能源升压变换器及其控制方法的结构示意图；

图2为本发明的一种新型新能源升压变换器在开关管导通时的工作电路图；

图3为本发明的一种新型新能源升压变换器在开关管关断时的工作电路图；

图4为本发明的一种新型新能源升压变换器的控制方法流程图。

其中：V_d为直流电源、S为开关管、D₁为第一二极管、D₂为第二二极管、D₃为第三二极管、C₁为第一电容、C₂为第二电容、C₃为第三电容、C₄为第四电容、L₁为第一电感、L₂₁为耦合电感原边绕组、L₂₂为耦合电感副边绕组、R为负载、模块1为电压传感器、模块2为电流传感器、模块3为负载预测电路、模块4为主控制电路。

具体实施方式

本发明公开了一种新型新能源升压变换器及其控制方法，新型变换器的电压增益为(2N+D-ND)/(1-D)，相比于传统的升压变换器，新型变换器能够根据所述耦合电感原边绕组与副边绕组的匝数比N以及占空比D来调节电压增益，使整个电路更加灵活，提高了电压增益，同时，针对新能源领域输入电压不确定性的问题，新型变换器滤波电容的电压应力可以根据输入电压与输出电压不同实现灵活调整，有效的降低了滤波电容的电压应力，有利于减小电容体积，延长变换器的使用寿命，从而解决传统变换器在高增益情况下滤波电容电压应力较大、电容体积和成本较高的技术问题。同时引入电压、电流两个反馈回路，能够提高变换器在复杂情况下的控制精度，使输出电压趋于稳定值。

为使本发明实施例中的目的、技术方案和特点更加清楚，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晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。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，都属于本发明保护的范围。

本发明中可控开关S以N沟道场效应管为例，在实际应用中，用户可以根据实际需求来选择相应的可控开关S，本发明在此不做限定。

为了便于理解，请参照图1，本发明提供了一种新型新能源升压变换器及其控制方法的一个实施例，包括：直流电源V_d、耦合电感升压网络、开关管S、第一电感L₁、第一电容C₁、第三二极管D₃、第四电容C₄、负载R、模块1电压传感器、模块2电流传感器、模块3负载预测电路、模块4主控制电路；

耦合电感升压网络包括耦合电感原边绕组L₂₁、耦合电感副边绕组L₂₂、第一二极管D₁、第二电容C₂、第二二极管D₂、第三电容C₃；

第一电感L₁的第一端与直流电源V_d的正极和第四电容C₄的第二端连接；

第一电感L₁的第二端与开关管S的第二端和第一电容C₁的第一端连接；

第一电容C₁的第二端与耦合电感原边绕组L₂₁的第二端、第一二极管D₁的阳极和第二电容C₂的第二端连接；

开关管S的第一端与直流电源V_d的负极、耦合电感原边绕组L₂₁的第一端和负载R的第二端连接；

第一二极管D₁的阴极与耦合电感副边绕组L₂₂的第二端和第三电容C₃的第二端连接；

第二电容C₂的第一端与耦合电感副边绕组L₂₂的第一端和第二二极管D₂的阳极连接；

第二二极管D₂的阴极与第三电容C₃的第一端和第三二极管D₃的阳极连接；

第四电容C₄的第一端与第三二极管D₃的阴极和负载R的第一端连接；

模块1电压传感器并联于负载R两端，用于实时采集负载R的电压值，并将电压值反馈给模块3负载预测电路；

模块2电流传感器串联于第一电感L₁的第二端和开关管S的第二端，用于采集第一电感L₁支路的电流值，并将电流值反馈给模块4主控制电路；

模块4主控制电路与模块2电流传感器的输出端、模块3负载预测电路的输出端和开关管S的第三端连接。

需要说明的是，本发明实施例中的一种新型新能源升压变换器根据开关管S的导通与关断状态分为两种工作模态，具体请参照图2和图3，图2和图3当中的虚线部分为非工作部分，可视为不存在。本发明实施例中一种新型新能源升压变换器的工作原理可以描述为：

当开关管S导通时，工作模态1如图2所示：

开关管S、第一二极管D₁和第二二极管D₂开通，第三二极管D₃承受反压而反向截止，直流电源V_d通过“直流电源V_d—第一电感L₁—开关管S”回路对第一电感L₁充电，第一电感L₁储能；

第一电容C₁通过耦合电感升压网络向第二电容C₂、第三电容C₃充电，第二电容C₂和第三电容C₃储能；

第四电容C₄和直流电源V_d通过“直流电源V_d—第四电容C₄—负载R”回路给负载R提供能量。

当开关管S关断时。工作模态2如图3所示：

第三二极管D₃开通，开关管S关断，第一二极管D₁和第二二极管D₂承受反压而反向截止，第一电感L₁释放能量给第一电容C₁充电；

第二电容C₂和第三电容C₃通过第三二极管D₃向负载R提供能量，并向第四电容C₄充电，第四电容C₄存储能量。

以下对本发明实施例中的一种新型新能源升压变换器的电压增益、滤波电容的电压应力进行分析。

当开关管S导通时，工作模态1的情况下有：

第一电感L₁的电压V_L1、耦合电感原边绕组L₂₁的电压V_L21、耦合电感副边绕组L₂₂的电压V_L22、第二电容C₂的电压V_C2、第三电容C₃的电压V_C3、第四电容C₄的电压V_C4为：

其中，N为耦合电感原边绕组L₂₁与耦合电感副边绕组L₂₂的匝数比，V_d为直流电源的电压，V_C1为第一电容C₁的电压，V_o是输出电压，第一电感L₁的电流线性增加，第一电容C₁通过耦合电感升压网络给第二电容C₂和第三电容C₃传输能量，第四电容C₄上的电压V_C4为V_o-V_d，传统变换器滤波电容的电压应力为V_o，可以看出本发明提出的一种新型新能源升压变换器在开关管S开通期间降低了滤波电容的电压应力。

当开关管S关断时，工作模态2的情况下有：

第一电感L₁的电压V^′ _L1、耦合电感原边绕组L₂₁的电压V^′ _L21、耦合电感副边绕组L₂₂的电压V^′ _L22、第二电容C₂的电压V_C2、第三电容C₃的电压V_C3、第四电容C₄的电压V_C4为：

其中，N为耦合电感原边绕组L₂₁与耦合电感副边绕组L₂₂的匝数比，V_d为直流电源的电压，V_C1为第一电容C₁的电压，V_o是输出电压，第一电感L₁释放在开关管S开通时刻存储的能量，给第一电容C₁充电，第四电容C₄上的电压V_C4仍为V_o-V_d，传统变换器滤波电容的电压应力为V_o，可以看出本发明提出的一种新型新能源升压变换器在开关管S关断期间也能够降低滤波电容的电压应力，并且与开关管S开通时滤波电容承受的电压应力相等。

当变换器处于稳态时，设开关管工作的开关周期为Ts，占空比为D，即工作模态1持续时间为DTs，工作模态2持续时间为(1-D)Ts。

根据第一电感L₁和耦合电感原边绕组L₂₁的伏秒平衡特性，可得：

联立以上三式，求解得：

可以看出，本新型新能源升压变换器滤波电容的电压应力为V_o-V_d，可以根据变换器增益的不同来改变滤波电容承受的电压应力。

根据模态2时输出电压V_o的表达式并联立上述各式，可得：

则本发明申请实例中的新型新能源升压变换器的增益G与滤波电容的电压应力V_C4为：

由以上推导可以看出，本新型新能源升压变换器的增益G受到耦合电感原边绕组L₂₁与耦合电感副边绕组L₂₂匝数比N以及占空比D两者的影响，因此该变换器具有更加灵活的电压增益，可根据实际应用中不同的增益需求合理选取匝数比N与占空比D，从而提高变换器的电压增益；此外，本新型新能源升压变换器滤波电容的电压应力为V_o-V_d，而传统变换器滤波电容的电压应力为V_o，新型升压变换器可以降低负载侧滤波电容的电压应力，并且这种结构可以应用于多种DC-DC变换器结构中，有利于减小滤波电容的体积，延长滤波电容的使用寿命，降低变换器的成本，从而解决传统升压变换器存在的电压增益低、滤波电容电压应力大的问题。

为解决负载未知或变化条件下所述新型新能源升压变换器采用传统电流控制模式时控制精度低的问题，本发明的新型新能源升压变换器在闭环控制中引入电压、电流两个反馈回路，能够预测负载波动趋势，提高变换器在复杂情况下的控制精度，使输出电压趋于稳定值。具体控制方式如图4所示：

模块1电压传感器包括：

用于采集负载侧电压值的霍尔电压传感器；

具体地，霍尔电压传感器将采集到负载侧的电压值V_o反馈给模块2负载预测电路用于比较。

模块2电流传感器包括：

用于采集第一电感L₁支路电流的霍尔电流传感器；

具体地，霍尔电流传感器将采集到的第一电感L₁支路的电流值I_L1反馈给模块4主控制电路用于比较。

模块3负载预测电路包括：

将模块1霍尔电压传感器采集到的输出电压V_o与期望输出的参考电压Vref作比较，得到电压误差信号Ve，负载预测电路根据电压误差信号Ve对负载进行预测，并将预测值作为电感电流的参考值

输入到主控制电路。

模块4主控制电路包括：

将模块3负载预测电路输出的电感电流参考值

与模块2电流传感器采集的第一电感L₁支路的电流I_L1作比较，得到电流误差信号I_L1e，主控制电路根据电流误差信号I_L1e产生占空比信号

主控制电路输出的占空比信号

与期望输出的参考占空比信号Dref作比较得到占空比控制信号D，占空比控制信号D通过PWM模块和驱动电路产生驱动开关开通或关断的信号，并可以根据上述方式在负载发生变化时更新所输出的占空比控制信号D，从而使得输出电压趋于稳定值。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的元件或模块必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为暗示或指示相对重要性。

除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介简介链接，可以是两个元件内部的连通。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。

以上所述，以上实施例仅用于说明本申请的技术方案，而非对其限制；对本发明所公开的实施例的上述说明，使本领域的专业技术人员能够使用或实现本发明，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些替换或者修改，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种新型新能源升压变换器及其控制方法，其特征在于，包括：直流电源、耦合电感升压网络、开关管、第一电感、第一电容、第三二极管、第四电容、负载、模块1电压传感器、模块2电流传感器、模块3负载预测电路、模块4主控制电路。

2.根据权利要求1所述的耦合电感升压网络包括耦合电感原边绕组、耦合电感副边绕组、第一二极管、第二电容、第二二极管、第三电容；

所述第一电感的第一端与所述直流电源的正极和所述第四电容的第二端连接；

所述第一电感的第二端与所述开关管的第二端和所述第一电容的第一端连接；

所述第一电容的第二端与所述耦合电感原边绕组的第二端、所述第一二极管的阳极和所述第二电容的第二端连接；

所述开关管的第一端与所述直流电源的负极、所述耦合电感原边绕组的第一端和所述负载的第二端连接；

所述第一二极管的阴极与所述耦合电感副边绕组的第二端和所述第三电容的第二端连接；

所述第二电容的第一端与所述耦合电感副边绕组的第一端和所述第二二极管的阳极连接；

所述第二二极管的阴极与所述第三电容的第一端和所述第三二极管的阳极连接；

所述第四电容的第一端与所述第三二极管的阴极和所述负载的第一端连接；

所述模块1电压传感器并联于负载两端，用于实时采集负载电压值，并将电压值反馈给所述模块3负载预测电路；

所述模块2电流传感器串联于所述第一电感的第二端和所述开关管的第二端，用于采集所述第一电感支路的电流值，并将采集的电流值反馈给所述模块4主控制电路；

所述模块4主控制电路与所述模块2电流传感器的输出端、所述模块3负载预测电路的输出端和所述开关管的第三端连接。

3.根据权利要求1所述的一种新型新能源升压变换器及其控制方法，其特征在于，所述第四电容的电压应力为V_o-V_d。

4.根据权利要求1所述的一种新型新能源升压变换器及其控制方法，其特征在于，所述模块1电压传感器采集负载侧输出电压，输出电压值再与期望输出电压值作比较得到电压误差信号，电压误差信号经过所述负载预测电路进行信号处理，得到电感电流参考值，并与所述模块2采集的电感电流值作比较，得到电感电流误差信号用于所述模块4主控制电路当中。

5.根据权利要求1所述的一种新型新能源升压变换器及其控制方法，其特征在于，所述模块4主控制电路用于产生占空比信号，通过PWM模块和驱动电路产生驱动信号驱动开关管。

6.根据权利要求1所述的一种新型新能源升压变换器及其控制方法，其特征在于，所述第一电容、所述第二电容、所述第三电容和所述第四电容均为极性电容；

所述第一电容的第一端、所述第二电容的第一端、所述第三电容的第一端与所述第四电容的第一端均为正端；

所述第一电容的第二端、所述第二电容的第二端、所述第三电容的第二端与所述第四电容的第二端均为负端。

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