CN115864842B - 一种光伏逆变器及三电平Boost电路 - Google Patents

Abstract

本申请涉及Boost电路领域，公开了本发明所提供的一种光伏逆变器及三电平Boost电路，包括：储能单元，第一二极管，第二二极管，第三二极管，第四二极管，第一电容，第二电容，飞跨电容电路和电流限制电路，电流限制电路的第一连接端与第四二极管的阳极连接，第二连接端与第一电容和第二电容串联产生的公共端连接，用于限制第四二极管上瞬态电流的变化速率。由此，在第四二极管的阳极，以及第一电容和第二电容串联产生的公共端之间连接电流限制电路，限制第四二极管上的瞬态电流，保证飞跨电容电路上的电压可高于或低于Bus电压的一半，进而避免三电平Boost电路中各元器件损坏的同时，保证Bus输出电压和飞跨电容上的电压稳定。

Description

一种光伏逆变器及三电平Boost电路

技术领域

本申请涉及Boost电路领域，特别是涉及一种光伏逆变器及三电平Boost电路。

背景技术

升压电路（Boost电路）为一种可实现输出的电压比输入电压更高的电路，从而实现功率的转换。三电平Boost电路由于在相同的输入条件下，可以通过降低功率器件的电压应力，利用较小耐压等级的器件实现较高等级的电压输出，与传统两电平Boost电路相比，三电平Boost电路可实现更高的工作电压，以及更高的功率转换效率，进而得到了广泛应用。

图1为现有技术所提供的一种三电平Boost电路的电路图，目前常用的三电平Boost电路包括如图1所示的传统三电平Boost电路，在该电路中，飞跨电容Cfly的电压无法进行钳位，进而会导致开关管Q1和开关管Q2过压损坏。

图2为现有技术所提供的另一种三电平Boost电路的电路图，为了避免开关管Q1和开关管Q2过压损坏，如图2所示，在传统三电平Boost电路的基础上增加二极管D3和二极管D4，该电路中的飞跨电容Cfly的电压必须高于Bus输出电压的一半。

当飞跨电容Cfly的电压小于Bus输出电压的一半，且在开关管Q2导通时，二极管D4也会导通，此时，飞跨电容Cfly与电容C3处于并联工作。由于飞跨电容Cfly的电容值通常与电容C3的电容值为相同数量级，因此无法忽略飞跨电容Cfly和电容C3并联的容值，此时二极管D1、二极管D2和飞跨电容Cfly的公共连接点M点处的电压，大于电容C3、电容C4和二极管D3的连接点N点处的电压，电容C3和电容C4充放电的情况下二极管D4上的电流非常大，从到导致二极管D4可能损坏。此外，在这样的情况下工作较长时间，会导致电容C2和电容C3上的电压不均衡，同时，由于Bus输出所接负载的自身特性，以及负载突变等情况的发生，会导致Bus输出电压带有很大的电压波动，又由于三电平Boost电路是由飞跨电容Cfly的充放电来完成整个电路的功能，因此飞跨电容Cfly上的电压也具有波动性。

如果要满足飞跨电容Cfly上的电压必须高于Bus电压的一半时，则飞跨电容Cfly上的电压必然高于Bus输出电压的一半很多，此时，又会导致开关管Q1和二极管D1的应力电压较大，进而容易损坏开关管Q1和二极管D1。

由此可见，如何在避免三电平Boost电路中各元器件损坏的同时，保证Bus输出电压和飞跨电容上的电压稳定，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种光伏逆变器及三电平Boost电路，用于避免三电平Boost电路中各元器件损坏的同时，保证Bus输出电压和飞跨电容上的电压稳定。

为解决上述技术问题，本申请提供一种三电平Boost电路，包括：储能单元，第一二极管，第二二极管，第三二极管，第四二极管，第一电容，第二电容，飞跨电容电路，所述储能单元的第一连接端与所述第一二极管的阳极连接，所述第一二极管的阴极与所述第二二极管的阳极连接所产生的公共端分别与所述飞跨电容电路的第一连接端及所述第四二极管的阴极连接，所述飞跨电容电路的第二连接端与所述第三二极管的阳极连接所产生的公共端与所述储能单元的第二连接端连接，所述第一电容和所述第二电容串联产生的公共端分别与所述第三二极管的阴极及所述第四二极管的阳极连接，所述第一电容的另一端与所述第二二极管的阴极连接所产生的公共端作为三电平Boost电路的第一输出端，所述第二电容的另一端与所述储能单元的第三连接端连接，且作为所述三电平Boost电路的第二输出端，还包括：电流限制电路；

所述电流限制电路的第一连接端与所述第四二极管的阳极连接，第二连接端与所述第一电容和所述第二电容串联产生的公共端连接，用于限制所述第四二极管上瞬态电流的变化速率。

优选地，所述电流限制电路为电阻。

优选地，所述储能单元包括第三电容，第一电感，第一开关管和第二开关管；

所述第三电容的一端与所述第一电感的一端连接所产生的公共端作为三电平Boost电路的第一输入端，所述第一电感的另一端与所述第一开关管的第一连接端连接所产生的公共端作为所述储能单元的第一连接端，所述第一开关管的第二连接端与所述第二开关管的第一连接端连接所产生的公共端作为所述储能单元的第二连接端，所述第二开关管的第二连接端与所述第三电容的另一端连接所产生的公共端作为所述储能单元的第三连接端。

优选地，所述飞跨电容电路包括飞跨电容，飞跨电感，第一飞跨电阻和第二飞跨电阻；

所述飞跨电容，所述飞跨电感和所述第一飞跨电阻依次串联，且所述飞跨电容的另一端作为所述飞跨电容电路的第一连接端，所述第一飞跨电阻的另一端作为所述飞跨电容电路的第二连接端，所述第二飞跨电阻与所述飞跨电容并联。

优选地，所述电阻的阻值根据以下公式计算得到：

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其中，R1为所述电阻的阻值，为所述飞跨电容电路充电前电压，为所述飞跨电容电路充电后电压，为所述第二电容上的电压，为所述第一开关管的导通时长，为所述第二开关管的导通时长，为飞跨电容电路的电感值，为所述飞跨电容电路放电的电流，为所述飞跨电容电路充电的能量，为所述飞跨电容电路放电的能量，为所述第一飞跨电阻的阻值，为所述第二飞跨电阻的阻值。

优选地，所述电流限制电路为电感。

优选地，所述第一电容和所述第二电容为电解电容。

为了解决上述技术问题，本申请还提供了一种光伏逆变器，包括所述的三电平Boost电路。

本发明所提供的一种三电平Boost电路，包括：储能单元，第一二极管，第二二极管，第三二极管，第四二极管，第一电容，第二电容，飞跨电容电路，储能单元的第一连接端与第一二极管的阳极连接，第一二极管的阴极与第二二极管的阳极连接所产生的公共端分别与飞跨电容电路的第一连接端及第四二极管的阴极连接，飞跨电容电路的第二连接端与第三二极管的阳极连接所产生的公共端与储能单元的第二连接端连接，第一电容和第二电容串联产生的公共端分别与第三二极管的阴极及第四二极管的阳极连接，第一电容的另一端与第二二极管的阴极连接所产生的公共端作为三电平Boost电路的第一输出端，第二电容的另一端与储能单元的第三连接端连接，且作为三电平Boost电路的第二输出端。此外，还包括：电流限制电路，该电流限制电路的第一连接端与第四二极管的阳极连接，第二连接端与第一电容和第二电容串联产生的公共端连接，用于限制第四二极管上瞬态电流的变化速率。由此可见，本申请所提供的技术方案，在第四二极管的阳极，以及第一电容和第二电容串联产生的公共端之间连接电流限制电路，进而限制第四二极管上的瞬态电流，从而保证飞跨电容电路上的电压可高于或低于Bus电压的一半，进而避免三电平Boost电路中各元器件损坏的同时，保证Bus输出电压和飞跨电容上的电压稳定。

此外，本申请还提供一种光伏逆变器，与上述的三电平Boost电路相对应，效果同上。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为现有技术所提供的一种三电平Boost电路的电路图；

图2为现有技术所提供的另一种三电平Boost电路的电路图；

图3为本申请实施例所提供的一种三电平Boost电路的电路图；

图4为本申请实施例所提供的一种飞跨电容电路的电路图；

图5为本申请实施例所提供的一种采样控制电路的示意图；

图6为本申请实施例所提供的一种采样电路的电路图；

附图标记如下：1为储能单元，2为电流限制电路。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护范围。

本申请的核心是提供一种光伏逆变器及三电平Boost电路，避免三电平Boost电路中各元器件损坏的同时，保证Bus输出电压和飞跨电容上的电压稳定。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。

Boost电路为一种可实现输出的电压比输入电压更高的电路，从而实现功率的转换。三电平Boost电路由于在相同的输入条件下，可以通过降低功率器件的电压应力，利用较小耐压等级的器件实现较高等级的电压输出，与传统两电平Boost电路相比，三电平Boost电路可实现更高的工作电压，以及更高的功率转换效率，进而得到了广泛应用。

为了解决图1和图2对应的现有技术的上述技术问题，避免三电平Boost电路中各元器件损坏的同时，保证Bus输出电压和飞跨电容上的电压稳定，本申请实施例提供了一种三电平Boost电路，在二极管D4阴极与电容C2之间设置电流限制电路，限制二极管D4的瞬态电流，保护三电平Boost电路中各元器件。

图3为本申请实施例所提供的一种三电平Boost电路的电路图，如图3所示，该电路包括：储能单元1，第一二极管D1，第二二极管D2，第三二极管D3，第四二极管D4，第一电容C1，第二电容C2，飞跨电容电路Cfly。

如图3所示，储能单元1的第一连接端与第一二极管D1的阳极连接，第一二极管D1的阴极与第二二极管D2的阳极连接所产生的公共端分别与飞跨电容电路Cfly的第一连接端及第四二极管D4的阴极连接，飞跨电容电路Cfly的第二连接端与第三二极管D3的阳极连接所产生的公共端与储能单元1的第二连接端连接，第一电容C1和第二电容C2串联产生的公共端分别与第三二极管D3的阴极及第四二极管D4的阳极连接，第一电容C1的另一端与第二二极管D2的阴极连接所产生的公共端作为三电平Boost电路的第一输出端，第二电容C2的另一端与储能单元1的第三连接端连接，且作为三电平Boost电路的第二输出端。

为了避免第四二极管D4的瞬态电流过高而损坏，因此，本申请所提供的三电平Boost电路还包括电流限制电路2，如图3所示，电流限制电路2的第一连接端与第四二极管D4的阴极连接，第二连接端与第一电容C1和第二电容C2串联产生的公共端连接，用于限制第四二极管D4上瞬态电流的变化速率。

需要说明的是，在具体实施例中，电流限制电路2可以是电阻，也可以是电感，从成本和电路体积的角度考虑，本申请中的电流限制电路2优选电阻。

如图3所示，将电流限制电路2设置为电阻R1，在具体实施中，若不设置电阻R1，则D点电位一定要高于C点电位，否则第四二极管D4会导通，第一电容C1和第二电容C2相互充放电情况下，第四二极管D4上的瞬态电流会非常大，进而导致损坏第四二极管D4。

本申请所提供的技术方案，在第四二极管D4阴极，与第一电容C1和第二电容C2串联产生的公共端之间增加设置电阻R1后，限制第一电容C1和第二电容C2的充放电电流，起到保护第四二极管D4的作用。

事实上，只要电阻R1的阻值选择合适，飞跨电容电路Cfly上的电压可以低于母线电压一半，也可以高于母线电压一半。飞跨电容电路Cfly上的电压低于母线电压一半时，D点的电位低于C点的电位，在储能单元1中第二开关管Q2不导通的情况下，E点电位会通过第三二极管D3钳位到C点电位，缓慢的将飞跨电容电路上的电压再拉到母线电压的一半。为了便于理解，下面将举例说明。

例如，假设A点电位为0V，B点电位为1500V，则C点电位为750V。当储能单元1中第二开关管Q2导通时，E点电位等于A点电位等于0V，此时，若飞跨电容电路上的电压设定为700V（低于母线电压的一半750V），C点就会通过电阻R1和第四二极管D4对D点进行充电。由于电阻R1的存在，所以D点的电位是缓慢上升。

当储能单元1中第二开关管Q2关断时，若此时D点电压上升至720V，在第二开关管Q2关断后，D点和E点的电压会上升，其中，D点电压上升到B点（1500V），而E点则上升到1500-720=780V，在上升到超过750V时，第三二极管D3会导通，此时，E点电压就会钳位到C点电压（750V），而D点电压会因为第二二极管D2的导通到1500V。

由此，由于第三二极管D3和第四二极管D4的相互钳位，所以飞跨电容电路上的电压无论是高于母线电压的一半，还是低于母线电压的一半，三电平Boost电路都可以稳定工作，且电路中的元件不会损坏。

本申请实施例所提供的三电平Boost电路，包括：储能单元，第一二极管，第二二极管，第三二极管，第四二极管，第一电容，第二电容，飞跨电容电路，储能单元的第一连接端与第一二极管的阳极连接，第一二极管的阴极与第二二极管的阳极连接所产生的公共端分别与飞跨电容电路的第一连接端及第四二极管的阴极连接，飞跨电容电路的第二连接端与第三二极管的阳极连接所产生的公共端与储能单元的第二连接端连接，第一电容和第二电容串联产生的公共端分别与第三二极管的阴极及第四二极管的阳极连接，第一电容的另一端与第二二极管的阴极连接所产生的公共端作为三电平Boost电路的第一输出端，第二电容的另一端与储能单元的第三连接端连接，且作为三电平Boost电路的第二输出端。此外，还包括：电流限制电路，该电流限制电路的第一连接端与第四二极管的阳极连接，第二连接端与第一电容和第二电容串联产生的公共端连接，用于限制第四二极管上瞬态电流的变化速率。由此可见，本申请所提供的技术方案，在第四二极管的阳极，以及第一电容和第二电容串联产生的公共端之间连接电流限制电路，进而限制第四二极管上的瞬态电流，从而保证飞跨电容电路上的电压可高于或低于Bus电压的一半，进而避免三电平Boost电路中各元器件损坏的同时，保证Bus输出电压和飞跨电容上的电压稳定。

在具体实施例中，如图3所示，储能单元1包括第三电容C3，第一电感L1，第一开关管Q1和第二开关管Q2。

第三电容C3的一端与第一电感L1的一端连接所产生的公共端作为三电平Boost电路的第一输入端，第一电感L1的另一端与第一开关管Q1的第一连接端连接所产生的公共端作为储能单元1的第一连接端，第一开关管Q1的第二连接端与第二开关管Q2的第一连接端连接所产生的公共端作为储能单元1的第二连接端，第二开关管Q2的第二连接端与第三电容C3的另一端连接所产生的公共端作为储能单元1的第三连接端。

图4为本申请实施例所提供的一种飞跨电容电路的电路图，如图4所示，飞跨电容Cn电路包括飞跨电容Cn，飞跨电感Lc，第一飞跨电阻Rn和第二飞跨电阻Rc。飞跨电容Cn，飞跨电感Lc和第一飞跨电阻Rn依次串联，且飞跨电容Cn的另一端作为飞跨电容Cn电路的第一连接端，第一飞跨电阻Rn的另一端作为飞跨电容Cn电路的第二连接端，第二飞跨电阻Rc与飞跨电容Cn并联。

当飞跨电容电路Cfly上的电压高于母线电压的一半时，第四二极管D4不工作。当飞跨电容电路Cfly上的电压低于母线电压的一半，且第二开关管Q2导通时，第三C3通过电阻R1，第四二极管D4，飞跨电容电路Cfly和第二开关管Q2形成回路。

具体实施中，电阻R1的取值至关重要，若取值过大，则第四二极管D4起不到钳位第二二极管D2电压以保护第二二极管D2的作用。若取值过小，则会出现偏压的问题。当电阻R1取值合适时，飞跨电容电路Cfly上的电压可以低于母线电压一半，也可以高于母线电压一半。

图5为本申请实施例所提供的一种采样控制电路的示意图，实施时，可通过如图5所示的采样控制电路采集第一电感L1上的电流，输入电压Uin，飞跨电容电路Cfly上的电压，输出电压Uout，并将采集的数据传输至控制单元进行处理和计算。控制单元根据以上接收得到所有数据计算飞跨电容电路充电前电压，飞跨电容电路充电后电压，第二电容上的电压，飞跨电容电路放电的电流，飞跨电容电路充电的能量和飞跨电容电路放电的能量。

图6为本申请实施例所提供的一种采样电路的电路图，实施中，如图6所示，采样电路包括电阻R10，电阻R20，电阻R30，电阻R40和运算放大器U，从输入端in采样数据后，由输出端out输出。

进一步的，在得到飞跨电容电路充电前电压，飞跨电容电路充电后电压，第二电容上的电压，飞跨电容电路放电的电流，飞跨电容电路充电的能量和飞跨电容电路放电的能量等数据后，控制单元根据以下公式，即可计算得到令飞跨电容电路Cfly上的电压可以低于母线电压一半，也可以高于母线电压一半的电阻R1的阻值。

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其中，为第一开关管的导通时长，为第二开关管的导通时长，为预先设定的开关管导通和关断周期，为第一飞跨电阻的阻值，为第二飞跨电阻的阻值，为飞跨电容电路的电感值，需要说明的是，第一飞跨电阻的阻值，第二飞跨电阻的阻值，以及飞跨电容电路的电感值根据飞跨电容电路Cfly的选型进行确定的。

需要说明的是，在具体实施中，电流限制电路可以是电阻，还可以是电感，当选用电感时，电感的电感值确定方式与电阻相同，从成本和电路体积的角度考虑，电流限制电路优选电阻。

本申请实施例所提供的三电平Boost电路，通过将电流限制电路设置为合适的电阻，实现飞跨电容电路Cfly上的电压可以低于母线电压一半，也可以高于母线电压一半，限制第四二极管上的瞬态电流，进而避免第四二极管上损坏，保证Bus输出电压和飞跨电容上的电压稳定。

实施中，第一电容C1和第二电容C2可以是金属膜电容，也可以是电解电容，从成本的角度考虑，第一电容C1和第二电容C2优选为电解电容。

本申请实施例所提供的三电平Boost电路，将第一电容和第二电容设置电解电容，控制成本的同时，保证电路电压的稳定性。

在上述实施例中，对于三电平Boost电路进行了详细描述，本申请还提供一种光伏逆变器对应的实施例，该光伏逆变器包括上述实施例中所描述的三电平Boost电路，效果同上，此处暂不赘述。

以上对本申请所提供的一种光伏逆变器及三电平Boost电路进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (8)

1.一种三电平Boost电路，包括：储能单元，第一二极管，第二二极管，第三二极管，第四二极管，第一电容，第二电容，飞跨电容电路，所述储能单元的第一连接端与所述第一二极管的阳极连接，所述第一二极管的阴极与所述第二二极管的阳极连接所产生的公共端分别与所述飞跨电容电路的第一连接端及所述第四二极管的阴极连接，所述飞跨电容电路的第二连接端与所述第三二极管的阳极连接所产生的公共端与所述储能单元的第二连接端连接，所述第一电容和所述第二电容串联产生的公共端分别与所述第三二极管的阴极及所述第四二极管的阳极连接，所述第一电容的另一端与所述第二二极管的阴极连接所产生的公共端作为三电平Boost电路的第一输出端，所述第二电容的另一端与所述储能单元的第三连接端连接，且作为所述三电平Boost电路的第二输出端，其特征在于，还包括：电流限制电路；

所述电流限制电路的第一连接端与所述第四二极管的阳极连接，第二连接端与所述第一电容和所述第二电容串联产生的公共端连接，用于限制所述第四二极管上瞬态电流的变化速率。

2.根据权利要求1所述的三电平Boost电路，其特征在于，所述电流限制电路为电阻。

3.根据权利要求2所述的三电平Boost电路，其特征在于，所述储能单元包括第三电容，第一电感，第一开关管和第二开关管；

所述第三电容的一端与所述第一电感的一端连接所产生的公共端作为三电平Boost电路的第一输入端，所述第一电感的另一端与所述第一开关管的第一连接端连接所产生的公共端作为所述储能单元的第一连接端，所述第一开关管的第二连接端与所述第二开关管的第一连接端连接所产生的公共端作为所述储能单元的第二连接端，所述第二开关管的第二连接端与所述第三电容的另一端连接所产生的公共端作为所述储能单元的第三连接端。

4.根据权利要求3所述的三电平Boost电路，其特征在于，所述飞跨电容电路包括飞跨电容，飞跨电感，第一飞跨电阻和第二飞跨电阻；

所述飞跨电容，所述飞跨电感和所述第一飞跨电阻依次串联，且所述飞跨电容的另一端作为所述飞跨电容电路的第一连接端，所述第一飞跨电阻的另一端作为所述飞跨电容电路的第二连接端，所述第二飞跨电阻与所述飞跨电容并联。

5.根据权利要求4所述的三电平Boost电路，其特征在于，所述电阻的阻值根据以下公式计算得到：

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其中，R1为所述电阻的阻值，为所述飞跨电容电路充电前电压，为所述飞跨电容电路充电后电压，为所述第二电容上的电压，为所述第一开关管的导通时长，为所述第二开关管的导通时长，为飞跨电容电路的电感值，为所述飞跨电容电路放电的电流，为所述飞跨电容电路充电的能量，为所述飞跨电容电路放电的能量，为所述第一飞跨电阻的阻值，为所述第二飞跨电阻的阻值。

6.根据权利要求1所述的三电平Boost电路，其特征在于，所述电流限制电路为电感。

7.根据权利要求1所述的三电平Boost电路，其特征在于，所述第一电容和所述第二电容为电解电容。

8.一种光伏逆变器，其特征在于，包括权利要求1-7任意一项所述的三电平Boost电路。

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