CN204068691U - 基于开关电容网络串联的多输入升压变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于开关电容网络串联的多输入升压变换器，包括若干个开关电容网络，其中所述开关电容网络的拓扑结构为：开关电容网络的输入端由接点a和接点c构成，输出端由接点b和接点d构成，开关管S₁的漏极连接接点a，并与二极管D₁的阳极连接，二极管D₁的阴极连接接点b，开关管S₁的源极连接接点c，并与二极管D₂的阴极连接，二极管D₂的阳极连接接点d，接点a和接点d之间连接电容C₁，接点b和接点c之间连接电容C₂；前一个开关电容网络的接点d与后一个开关电容网络的接点b连接，从而将若干个开关电容网络串联。开关电容网络中的开关器件电压应力和电容电压应力较小；输入电流纹波和输出电压纹波小。

Description

基于开关电容网络串联的多输入升压变换器

技术领域

本实用新型涉及一种升压变换器，具体是一种基于开关电容网络串联的多输入升压变换器。

背景技术

化石能源作为不可再生能源正日益枯竭，它所造成的环境污染日益严重。新能源(如风电，太阳能，燃料电池等)具有廉价、可靠、清洁无污染、能源丰富的特点，在分布式发电领域展现出了良好的市场前景。然而，大多数新能源受环境和天气的限制，存在随机性和间歇性的特点，因此通常将多种具有互补特性的新能源发电单元结合起来，构成新能源联合发电系统，向用户提供稳定连续的电能。

在传统的新能源联合发电系统中，每种能源形式均需要一个DC/DC变换器，将各能源变换成直流电压输出，并联在公共的直流母线上，供给直流负载，然而存在变换器电路结构复杂、成本较高等缺点。为了简化电路结构、降低系统成本，可以用一个多输入直流变换器(Multi-input DC/DC converter,MIC)代替多个单输入直流变换器。MIC允许多种能源输入，输入源的性质、幅值和特性可以相同，也可以差别很大，多输入源可以分别或同时向负载供电(即同时供电或同时供电)，因此提高了系统的稳定性和灵活性，实现能源的优先利用，并且降低系统成本。另外，由于太阳能、燃料电池等新能源装置的输出电压较低，为了实现380V或760V的直流母线电压输出，必须使得新能源装置与直流母线电压之间的MIC同时兼具较大的升压能力。

发明内容

针对新能源联合发电系统对MIC的升压能力、控制复杂度、开关应力、转换效率和元器件利用率的要求，本实用新型提出了一种基于开关电容网络实现同时供电的多输入升压变换器。该变换器由多个开关电容网络串联组成，通过所有网络中的电容电压累加的方式实现较大的输出电压，具有较高的升压能力，同时所有开关管由同一控制信号隔离驱动，控制电路简单，且元器件电压应力小。

为实现本实用新型目的而采用的技术方案是这样的，基于开关电容网络串联的多输入升压变换器，包括若干个开关电容网络，其中所述开关电容网络的拓扑结构为：开关电容网络的输入端由接点a和接点c构成，输出端由接点b和接点d构成，开关管S₁的漏极连接接点a，并与二极管D₁的阳极连接，二极管D₁的阴极连接接点b，开关管S₁的源极连接接点c，并与二极管D₂的阴极连接，二极管D₂的阳极连接接点d，接点a和接点d之间连接电容C₁，接点b和接点c之间连接电容C₂；前一个开关电容网络的接点d与后一个开关电容网络的接点b连接，从而将若干个开关电容网络串联。

为了更好地实现本实用新型，在所述开关电容网络中的两个交叉电容C₁与电容C₂的规格参数相同，两个二极管D₁与二极管D₂的规格参数也相同。

进一步，若干个所述开关电容网络中的开关管S₁均由同一信号，经隔离驱动电路处理后进行控制。隔离驱动电路选用光耦隔离电路。

在本实用新型的若干个所述开关电容网络的输入端中至少一个输入端接入输入电压。所有输入端可以都接入输入电压，也可以有的输入端不接入。

基于开关电容网络提出一种实现同时供电的多输入升压变换器，通过多个开关电容网络电容电压的累加升压，实现较大的输出电压，具有如下优点：

(1)升压能力强，控制电路简单；

(2)输入电流纹波和输出电压纹波小，减小了对输入、输出电解电容的冲击；

(3)开关管和二极管电压应力小；

(4)电容电压应力小，因而降低了对电容的要求，减小了电路体积和成本。

附图说明

图1为本实用新型中开关电容网络拓扑结构图；

图2为本实用新型中开关电容网络串联结构图；

图3为实施例中三输入升压变换器的拓扑结构图；

图4为三个供电单元同时工作的等效电路图；

图5为供电单元1和供电单元3同时工作的等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，但不应该理解为本实用新型上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本实用新型上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本实用新型范围内。

参见图1，开关电容网络的拓扑结构为：开关电容网络的输入端由接点a和接点c构成，输出端由接点b和接点d构成，开关管S₁的漏极连接接点a，并与二极管D₁的阳极连接，二极管D₁的阴极连接接点b，开关管S₁的源极连接接点c，并与二极管D₂的阴极连接，二极管D₂的阳极连接接点d，接点a和接点d之间连接电容C₁，接点b和接点c之间连接电容C₂。开关电容网络的基本工作原理为：当开关管S₁导通时，二极管D₁、D₂关断，电容C₁、C₂交叉串联放电；当开关管S₁关断时，二极管D₁、D₂导通，电容C₁、C₂并联充电。其中二极管D₁、D₂所选用的型号是MUR420，电容C₁、C₂所选用的型号是47UF/250V，开关管S₁所选用的型号是IRF640。

参见图2，将图1中的开关电容网络单元串联起来，串联方式为：前一个开关电容网络的接点d与后一个开关电容网络的接点b连接。最后剩余的两个输出接点为升压器的输出端。将多个开关电容网络串联使用，实现多个网络中电容电压累加升压的效果，可用来构建实现同时供电的多输入升压变换器。每个网络中的电容电压大小相等，记网络1、网络2和网络N的电容电压大小依次为U₁、U₂、U_N。

为了阐述该多输入升压变换器的工作原理，本实施例以三输入升压变换器为例分析其工作原理和工作特性，其电路拓扑如图3所示。图3中L₁、L₂、L₃均是基于EE25磁芯设计的，大小为220uH，D_o和C_o所选用的型号分别是MUR440、470UF/400V。当任何一个供电单元工作时，变换器输出电压先通过对应的前级Boost电路实现升压，并通过多个网络中的电容电压累加，向输出端提供纹波小、电压值较大的直流电压。该变换器既可以实现同时供电，又可以实现分时供电。其中，同时供电是指所有供电单元都参与工作，分时供电是指部分供电单元参与工作。

当三个供电单元同时工作时，三输入升压变换器的等效电路如图4所示，图中e表示所有开关管都导通的情形，f表示所有开关管都关断的情形。

当三个开关管S₁、S₂、S₃同时导通时，二极管D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆都关断，二极管D_o导通，此时，网络1中的电容C₁与C₂，网络2中的电容C₃与C₄和网络3中的电容C₅与C₆分别交叉串联，向负载提供能量。

电感L₁、L₂、L₃上的电压大小分别为：

u_L1＝U_in1 u_L1＝U_in2 u_L3＝U_in3    (1)

输出电压大小为：

U_o＝2U₁+2U₂+2U₃      (2)

当三个开关管S₁、S₂、S₃同时关断时，二极管D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆都导通，二极管D_o关断，此时，网络1中的电容C₁、C₂，网络2中的电容C₃与C₄和网络3中的电容C₅与C₆分别并联，由输入源分别对其进行充电。

电感L₁、L₂、L₃上的电压大小分别为：

u_L1＝U_in1-U₁ u_L2＝U_in2-U₂ u_L3＝U_in3-U₃   (3)

由式(1)、(2)、(3)可得三个供电单元同时工作时变换器的输出电压大小为：

$U_o=\frac{2}{1-D}(U_{\mathrm{in}1}+U_{\mathrm{in}2}+U_{\mathrm{in}3})---\left(4\right)$

在图3中，当一个供电单元无法提供能量时，其它两个供电单元仍然可以同时工作。以供电单元1和供电单元3同时工作为例，其等效电路如图5所示，图中g表示所有开关管都导通的情形，h表示所有开关管都关断的情形。

工作原理同三个供电单元同时工作的工作原理相同，不同的是，由于供电单元2不参与工作，使得网络2的电容电压为0。

因而，可得供电单元1和供电单元3同时工作时变换器的输出电压大小为：

$U_o=\frac{2}{1-D}(U_{\mathrm{in}1}+U_{\mathrm{in}3})---\left(5\right)$

同理，不难推导出当一个供电单元独立工作时三输入升压变换器的工作原理，以供电单元1独立工作为例。当供电单元1独立工作时，开关电容网络2和开关电容网络3的电容电压大小均为0。

此时，变换器的输出电压大小为

$U_o=\frac{2}{1-D}{U}_{\mathrm{in}1}---\left(6\right)$

在本实用新型提供的多输入升压变换器中，所有开关管由同一控制信号控制。以三输入升压变换器为例，由于三个开关管S₁、S₂、S₃不共地线，所以需要采用隔离驱动电路，本实用新型采用光耦隔离的工作方式，控制电路简单。

Claims (7)

1.基于开关电容网络串联的多输入升压变换器，其特征在于：包括若干个开关电容网络，其中所述开关电容网络的拓扑结构为：开关电容网络的输入端由接点a和接点c构成，输出端由接点b和接点d构成，开关管S₁的漏极连接接点a，并与二极管D₁的阳极连接，二极管D₁的阴极连接接点b，开关管S₁的源极连接接点c，并与二极管D₂的阴极连接，二极管D₂的阳极连接接点d，接点a和接点d之间连接电容C₁，接点b和接点c之间连接电容C₂；前一个开关电容网络的接点d与后一个开关电容网络的接点b连接，从而将若干个开关电容网络串联。

2.根据权利要求1所述基于开关电容网络串联的多输入升压变换器，其特征在于：在所述开关电容网络中的两个交叉电容C₁与电容C₂的规格参数相同。

3.根据权利要求1所述基于开关电容网络串联的多输入升压变换器，其特征在于：在所述开关电容网络中的两个二极管D₁与二极管D₂的规格参数相同。

4.根据权利要求1、2或3所述基于开关电容网络串联的多输入升压变换器，其特征在于：若干个所述开关电容网络中的开关管S₁均由同一信号，经隔离驱动电路处理后进行控制。

5.根据权利要求4所述基于开关电容网络串联的多输入升压变换器，其特征在于：所述隔离驱动电路为光耦隔离电路。

6.根据权利要求1、2或3所述基于开关电容网络串联的多输入升压变换器，其特征在于：若干个所述开关电容网络的输入端中至少一个输入端接入输入电压。

7.根据权利要求4所述基于开关电容网络串联的多输入升压变换器，其特征在于：若干个所述开关电容网络的输入端中至少一个输入端接入输入电压。