非隔離高增益dc-dc升壓變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及非隔離高增益DC?DC升壓變換器，該變換器拓?fù)鋯卧ǎ河性淳W(wǎng)絡(luò)，倍壓整流網(wǎng)絡(luò)，穩(wěn)壓電容；所述有源網(wǎng)絡(luò)，采用兩個全控開關(guān)管和電感串聯(lián)的模塊相互并聯(lián)而成；所述倍壓整流網(wǎng)絡(luò)，采用兩個二極管串聯(lián)，在兩二極管之間接入電容一端形成三端網(wǎng)絡(luò)；所述穩(wěn)壓電容，其正極和倍壓整流三端網(wǎng)絡(luò)中二極管負(fù)極相連，其負(fù)極和有源網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓負(fù)極相接。本發(fā)明提供的非隔離高增益DC?DC升壓變換器，用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中，使得直流升壓電路的電壓增益高，控制策略簡單，裝置體積較小，升壓拓?fù)渲虚_關(guān)管電壓應(yīng)力、電流引力較小。
【專利說明】
非隔離高増益DC-DC升壓變換器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及非隔離高增益DC-DC升壓變換器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著化石能源的日益枯竭與其燃燒后對環(huán)境的污染問題等越來越受到國際社會 的關(guān)注之后。尋找新型、可再生、無污染的能源成為了擺在人類面前迫在眉睫的大事。光伏 電能因其取之不盡用之不竭、清潔無污染等優(yōu)點，成為了人們對未來能源需求研究的重點 課題，潛力巨大。
[0003]由于光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏板直接輸出的直流電壓較低，一般為33-43V，而針對 AC220V的市電，即使是使用全橋并網(wǎng)逆變器，其直流輸入母線電壓一般也要380V，如何實現(xiàn) 高增益DC-DC升壓是實現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中急需要解決的問題之一。
[0004] 隔離型DC-DC變換器通過增加拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中高頻變壓器的匝數(shù)比來提高電壓。但過 高的匝數(shù)比會影響變換器的線性度，同時變換器的漏感也是急需要考慮的問題，在系統(tǒng)體 積和變換效率上相較于非隔離型DC-DC變換器也存在諸多不足，因此非隔離型變換器才是 時下研究的重點。
[0005] 雖然Boost變換器當(dāng)占空比接近1時，在理論上其電壓增益可以接近無窮大，但隨 著開關(guān)關(guān)斷時間的縮短:其電感電流紋波，功率器件峰值電流和輸出電流紋波都將逐漸變 大;其有源開關(guān)管和無源開關(guān)管的電壓應(yīng)力等于輸出電壓，過大的電壓應(yīng)力會大大增加變 換器的功率損耗降低變換器的傳輸效率。所以基本Boost變換器在實際應(yīng)用中為了保證一 定的變換效率，其一般只適用于電壓增益不大于6的場合。
[0006] 為了提高電壓增益和變換器能量傳輸效率，已經(jīng)提出了很多非隔離型高增益DC-DC升壓變換器。一些文獻通過在Boost電路中引入開關(guān)電感的方式，給出了該拓?fù)湓诶硐霔l 件下的穩(wěn)態(tài)分析，具有簡單的控制策略，但該變換器拓?fù)渲虚_關(guān)管的電壓應(yīng)力仍然較高，而 其電壓增益依然較低。有些文獻采用Boost電路多電平輸出的方式來實現(xiàn)電壓高增益，但要 實現(xiàn)高增益的前提是必須增加輸出的電平數(shù)，即電容數(shù)量也要隨著增加，這大大增加了拓 撲結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。部分文獻采用兩個Boost電路級聯(lián)的方式來實現(xiàn)電壓高增益，但是其前后 兩級Boost電路存在控制節(jié)拍差，且其后級Boost電路中開關(guān)管的電壓應(yīng)力等于輸出電壓。 另一些文獻通過在Boost電路中引入開關(guān)電容的方式，實現(xiàn)電壓高增益，但隨著升壓比的提 升，電路中的二極管、電容數(shù)量必將大量增加，且其電感電流應(yīng)力依然較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種控制策略簡單、體積較小的非隔 離高增益DC-DC升壓變換器。
[0008] 具體的技術(shù)方案為：
[0009] 非隔離高增益DC-DC升壓變換器，該變換器拓?fù)鋯卧?有源網(wǎng)絡(luò)，倍壓整流網(wǎng) 絡(luò)，穩(wěn)壓電容；
[0010] 所述有源網(wǎng)絡(luò)，采用兩個全控開關(guān)管和電感串聯(lián)的模塊相互并聯(lián)而成；
[0011] 所述倍壓整流網(wǎng)絡(luò)，采用兩個二極管串聯(lián)，在兩二極管之間接入電容一端形成三 端網(wǎng)絡(luò)；
[0012] 所述穩(wěn)壓電容，其正極和倍壓整流三端網(wǎng)絡(luò)中二極管負(fù)極相連，其負(fù)極和有源網(wǎng) 絡(luò)的輸入電壓負(fù)極相接。
[0013] 具體的：開關(guān)管S2的上端和電感L2的上端相連，直接接直流輸入電源的正極；電感 L1上端和開關(guān)管S2下端相連;開關(guān)管S1上端和電感L2下端相連；電感L1的下端和開關(guān)管S1 的下端相連，直接接入直流輸入電源的負(fù)極;二極管D1的正極與電感L2的下端相連，負(fù)極分 別與電容C1的正極、二極管D2的正極相連；電容C1的負(fù)極與開關(guān)管S2的下端相連，正極和二 極管D2的正極相連;穩(wěn)壓電容C2的正極和二極管D2的負(fù)極相連，負(fù)極和輸入直流電源的負(fù) 極相連;負(fù)載Rd和穩(wěn)壓電容C2并聯(lián)。
[0014]所述的非隔離高增益DC-DC升壓變換器，對應(yīng)的三個工作模態(tài)分別為：
[0015]第一工作模態(tài):開關(guān)管S1、開關(guān)管S2和二極管D2導(dǎo)通，二極管D1截止；
[0016]第二工作模態(tài):開關(guān)管S1、開關(guān)管S2和二極管D2截止，二極管D1導(dǎo)通；
[0017]第三工作模態(tài):開關(guān)管S1、開關(guān)管S2、二極管D1、二極管D2均截止。
[0018] 該新型變換器，其特征在于，包括如權(quán)利要求1所述的拓?fù)鋯卧?，其中?br>[0019] 開關(guān)管S2和開關(guān)管S1采用同一 PWM波控制信號，進行同步控制。
[0020] 第一工作模態(tài):此時直流電源電壓直接分別加載在電感L1和電感L2上，分別給電 感L1和電感L2充電，此刻電感L1和電感L2兩端的電壓Uli、Ul2都等于電源電壓，電感L1、電感 L2的電流Iu、Il2都成線性增長;同時電源電壓UDC和電容C1兩端電壓UC1串聯(lián)給穩(wěn)壓電容C2和 負(fù)載Rd供電。
[0021] 第二工作模態(tài):此時電感L1、電感L2兩端的感應(yīng)電動勢UL1、UL2,外加電源電壓U DC相 互串聯(lián)給電容C1充電；負(fù)載Rd由穩(wěn)壓電容C2單獨供電。
[0022] 第三工作模態(tài):此時電感L1、電感L2的電流IL1、IL2斷續(xù)為零。整個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由 穩(wěn)壓電容C2給負(fù)載Rd供電。
[0023]本發(fā)明提供的非隔離高增益DC-DC升壓變換器，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由一個有源網(wǎng)絡(luò)外加一 個倍壓整流電路組合變形設(shè)計而來。該發(fā)明具有如下特點:在相同占空比的條件下，變換器 具有2倍于傳統(tǒng)Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電壓增益;變換器中兩有源開關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸出電壓 的一半，即為傳統(tǒng)Boost電路中有源開關(guān)管電壓應(yīng)力的一半;變換器中兩電感電流一直相等 而無任何均流控制，且其兩有源開關(guān)管采用同步控制，控制策略簡單。在工業(yè)運用中具有很 好地實用價值。
[0024]本發(fā)明提供的非隔離高增益DC-DC升壓變換器，用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中，使得直流升 壓電路的電壓增益高，控制策略簡單，裝置體積較小，升壓拓?fù)渲虚_關(guān)管電壓應(yīng)力、電流引 力較小。
【附圖說明】
[0025]為了更清楚地闡述此非隔離高增益DC-DC升壓變換器的工作原理和工作模式，現(xiàn) 對其各個開關(guān)管的導(dǎo)通、截止組合，對其拓?fù)渲兄饕骷母鞣N電壓電流信號，對其拓?fù)?結(jié)構(gòu)中各種工作模態(tài)下的等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)做附圖介紹：
[0026] 圖1為本發(fā)明的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
[0027] 圖2為實施例中電子元器件上流過的電流、加載的電壓的波形信號圖。
[0028] 圖3為實施例工作在第一工作模態(tài)下時的等效電路圖。
[0029] 圖4為實施例工作在第二工作模態(tài)下時的等效電路圖。
[0030] 圖5為實施例工作在第三工作模態(tài)下時的等效電路圖。
【具體實施方式】
[0031] 為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實 施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施 例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護 的范圍。
[0032] 實施例一
[0033]如圖1，其示出了本非隔離高增益DC-DC升壓變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的連接方式。其中開 關(guān)管S2的上端和電感L2的上端相連，直接接直流輸入電源的正極；電感L1上端和開關(guān)管S2 下端相連;開關(guān)管S1上端和電感L2下端相連;電感L1的下端和開關(guān)管S1的下端相連，直接接 入直流輸入電源的負(fù)極;二極管D1的正極與電感L2的下端相連，負(fù)極與電容C1的正極、二極 管D2的正極相連；電容C1的負(fù)極與開關(guān)管S2的下端相連，正極和二極管D2的正極相連;穩(wěn)壓 電容C2的正極和二極管D2的負(fù)極相連，負(fù)極和輸入直流電源的負(fù)極相連；負(fù)載Rd和穩(wěn)壓電 容C2并聯(lián)。其中開關(guān)管S2和開關(guān)管S1采用同一 PWM波作為控制信號，即開關(guān)管S2和開關(guān)管S1 進行同步控制。
[0034]如表1，其工作模態(tài)序號1、2示出了本非隔離高增益DC-DC升壓變換器在電感電流 連續(xù)(CCM)模式下的開關(guān)管導(dǎo)通、截止?fàn)顟B(tài)表圖。
[0035]表1在三種工作模態(tài)下時的開關(guān)管導(dǎo)通、截止?fàn)顟B(tài)表圖
[0037]在CCM模式下該新型變換器對應(yīng)的兩種開關(guān)管工作模態(tài)為：
[0038]工作模態(tài)序號1:開關(guān)管S1、開關(guān)管S2和二極管D2導(dǎo)通，二極管D1截止；
[0039]工作模態(tài)序號2:開關(guān)管S1、開關(guān)管S2和二極管D2截止，二極管D1導(dǎo)通；
[0040]如圖2a，其示出了本非隔離高增益DC-DC升壓變換器工作在CCM模式下時，電路中 一些主要電子元器件的電壓、電流信號波形。其中Ugs為開關(guān)管S2和開關(guān)管S1的控制信號， IL1和IL2分別為流過電感L1和電感L2的電流，UL1和UL2分別為電感L1和電感L2兩端的電 壓，UC1和UD1分別為加載在電容C1和二極管D2兩端的電壓，ID1是流過二極管D1的電流。
[0041] 如圖3,此時直流電源電壓直接分別加載在電感L1和電感L2上，分別給電感L1和電 感L2充電，此刻電感L1和電感L2兩端的電壓Uli、Ul2都等于電源電壓，電感L1、電感L2的電流 成線性增長;同時電源電壓U DC和電容C1兩端電壓UC1串聯(lián)給穩(wěn)壓電容C2和負(fù)載Rd供 電。
[0042] 如圖4,此時電感L1、電感L2兩端的感應(yīng)電動勢Uli、Ul2,外加電源電壓Udc相互串聯(lián) 給電容C1充電；負(fù)載Rd由穩(wěn)壓電容C2單獨供電。
[0043] 實施例二
[0044] 如圖1，其示出了本非隔離高增益DC-DC升壓變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的連接方式。其中開 關(guān)管S2的上端和電感L2的上端相連，直接接直流輸入電源的正極；電感L1上端和開關(guān)管S2 下端相連;開關(guān)管S1上端和電感L2下端相連;電感L1的下端和開關(guān)管S1的下端相連，直接接 入直流輸入電源的負(fù)極;二極管D1的正極與電感L2的下端相連，負(fù)極與電容C1的正極、二極 管D2的正極相連；電容C1的負(fù)極與開關(guān)管S2的下端相連，正極和二極管D2的正極相連;穩(wěn)壓 電容C2的正極和二極管D2的負(fù)極相連，負(fù)極和輸入直流電源的負(fù)極相連；負(fù)載Rd和穩(wěn)壓電 容C2并聯(lián)。其中開關(guān)管S2和開關(guān)管S1采用同一PWM波作為控制信號，即S2和S1進行同步控 制。
[0045] 如表1，其工作模態(tài)序號1、2、3示出了本非隔離高增益DC-DC升壓變換器在電感電 流斷續(xù)(DCM)模式下的開關(guān)管導(dǎo)通、截止?fàn)顟B(tài)表圖。在DCM模式下該新型變換器對應(yīng)的三種 開關(guān)管工作模態(tài)為：
[0046] 工作模態(tài)序號1:開關(guān)管S1、開關(guān)管S2和二極管D2導(dǎo)通，二極管D1截止；
[0047]工作模態(tài)序號2:開關(guān)管S1、開關(guān)管S2和二極管D2截止，二極管D1導(dǎo)通；
[0048]工作模態(tài)序號3:開關(guān)管S1、開關(guān)管S2、二極管D1、二極管D2均截止。
[0049] 如圖2b，其示出了本非隔離高增益DC-DC升壓變換器工作在DCM模式下電路中一些 主要元器件的電壓、電流信號波形。其中Ugs為開關(guān)管S2和開關(guān)管S1的ΠΜ波控制信號，IL1 和IL2分別為流過電感器L1和電感L2的電流，UL1和UL2分別為加載在電感L1和電感L2兩端 的電壓，UC1和UD1分別為加載在電容器C1和二極管D2兩端的電壓，ID1是流過二極管D1的電 流。
[0050] 如圖3，此時直流電源電壓直接分別加載在電感L1和電感L2上，分別給電感L1和電 感L2充電，此刻電感L1和電感L2兩端的電壓Uli、Ul2都等于電源電壓，電感L1、電感L2的電流 成線性增長;同時電源電壓UDC和電容C1兩端電壓UC1串聯(lián)給穩(wěn)壓電容C2和負(fù)載Rd供 電。
[0051 ] 如圖4,此時電感L1、電感L2兩端的感應(yīng)電動勢Uli、Ul2,外加電源電壓Udc相互串聯(lián) 給電容C1充電；負(fù)載Rd由穩(wěn)壓電容C2單獨供電。
[0052] 如圖5,此時電感L1、電感L2的電流IL1、IL2斷續(xù)為零。整個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由穩(wěn)壓電容 C2給負(fù)載Rd供電。
[0053]需要說明的是，本說明書中各個實施案例都是采用遞進的方式進行描述的，以上 是對本發(fā)明所提出的一種非隔離高增益DC-DC升壓變換器進行了詳細(xì)介紹，本文應(yīng)用具體 個例對本發(fā)明的原理及其實施方式進行了闡述，以上實施案例的說明只是用于幫助理解本 發(fā)明的方法及其核心思想。
【主權(quán)項】
1. 非隔離高增益DC-DC升壓變換器，其特征在于，該變換器拓?fù)鋯卧?，有源網(wǎng)絡(luò)、倍 壓整流網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)壓電容； 所述有源網(wǎng)絡(luò)，包括兩個模塊相互并聯(lián)，每個模塊由開關(guān)管和電感串聯(lián)組成； 所述倍壓整流網(wǎng)絡(luò)，包括兩個串聯(lián)的二極管，兩個二極管之間接入電容的一端，形成三 端網(wǎng)絡(luò)； 所述穩(wěn)壓電容，其正極和倍壓整流的三端網(wǎng)絡(luò)中二極管負(fù)極相連，其負(fù)極和有源網(wǎng)絡(luò) 的輸入電壓負(fù)極相接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非隔離高增益DC-DC升壓變換器，其特征在于，所述的有源網(wǎng) 絡(luò)包括開關(guān)管S1、開關(guān)管S2、電感L1、電感L2; 所述的倍壓整流網(wǎng)絡(luò)包括二極管D1、二極管D2、電容C1; 開關(guān)管S2的上端和電感L2的上端相連，直接接直流輸入電源的正極；電感L1上端和開 關(guān)管S2下端相連;開關(guān)管S1上端和電感L2下端相連;電感L1的下端和開關(guān)管S1的下端相連， 直接接入直流輸入電源的負(fù)極;二極管D1的正極與電感L2的下端相連，負(fù)極分別與電容C1 的正極、二極管D2的正極相連；電容C1的負(fù)極與開關(guān)管S2的下端相連，正極和二極管D2的正 極相連;穩(wěn)壓電容C2的正極和二極管D2的負(fù)極相連，負(fù)極和輸入直流電源的負(fù)極相連;負(fù)載 Rd和穩(wěn)壓電容C2并聯(lián)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非隔離高增益DC-DC升壓變換器，其特征在于，包括三個工作 模態(tài)分別為： 第一工作模態(tài):開關(guān)管S1、開關(guān)管S2和二極管D2導(dǎo)通，二極管D1截止； 第二工作模態(tài):開關(guān)管S1、開關(guān)管S2和二極管D2截止，二極管D1導(dǎo)通； 第三工作模態(tài):開關(guān)管S1、開關(guān)管S2、二極管D1、二極管D2均截止。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的非隔離高增益DC-DC升壓變換器，其特征在于，所述的開關(guān)管 S2和開關(guān)管S1采用同一 PWM波控制信號，進行同步控制。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的非隔離高增益DC-DC升壓變換器，其特征在于，所述的第一工 作模態(tài)： 直流電源電壓直接分別加載在電感L1和電感L2上，分別給電感L1和電感L2充電，此刻 電感L1和電感L2兩端的電壓Uli、Ul2都等于電源電壓，電感L1、電感L2的電流Ili、Il2都成線性 增長;同時電源電壓Udc和電容C1兩端電壓Uq串聯(lián)給穩(wěn)壓電容C2和負(fù)載Rd供電。6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的非隔離高增益DC-DC升壓變換器，其特征在于，所述的二工作 模態(tài)： 電感L1、電感L2兩端的感應(yīng)電動勢Uli、Ul2,外加電源電壓Udc相互串聯(lián)給電容C1充電；負(fù) 載Rd由穩(wěn)壓電容C2單獨供電。7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的非隔離高增益DC-DC升壓變換器，其特征在于，所述的第一工 作模態(tài):三工作模態(tài)： 電感L1、電感L2的電流Iu、Il2斷續(xù)為零。整個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由穩(wěn)壓電容C2給負(fù)載Rd供電。
【文檔編號】H02M3/158GK106026657SQ201610537360
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月8日
【發(fā)明人】董秀成, 陳庚, 李浩然, 代莎
【申請人】西華大學(xué)