一种新能源系统及其准Z源开关电容变换器的制作方法

本发明涉及变换器技术领域，特别是涉及一种新能源系统及其准z源开关电容变换器。

背景技术：

随着电力系统的发展，越来越多新能源系统接入到电网中，新能源系统尤其是光伏和燃料电池系统对电力电子技术的要求也越来越高。由于光伏和燃料电池单元有电压低的特点，因此，往往需要很高增益的dc-dc变换器抬升电压后才能并入电网使用。

现有技术中采用的高增益dc-dc变换器往往使用级联型dc-dc变换器，具体地，请参照图1，图1为传统的级联型dc-dc变换器的结构示意图，该类变换器由两级甚至多级boost电路级联而成，一方面，占空比越大，该类变换器中的储能电感会达到磁饱和，而且工作在电流断续的模式下(dcm模式)，会导致电流纹波大，出现电流尖峰，控制环路难以设计；此外，占空比越高，开关管的电压应力也会增高，因此开关的损耗也会增加，降低效率，因此，该类变换器无法在高占空比下工作，因此，无法实现高增益；另一方面，该类变换器一般都需要大量的电子元器件，且至少经过两次能量变换，会增加功率损害，因此，该类变换器还存在成本高、效率低且控制复杂的缺点，不利于新能源的有效利用。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种新能源系统及其准z源开关电容变换器，可以在较低的占空比下实现高增益，而不需要级联实现高增益，降低了电路结构的复杂程度及成本；此外，还降低了开关管的导通损耗，提高了准z源开关电容变换器的效率；且由于变换器中只有一个开关模块，控制简单。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种准z源开关电容变换器，包括开关模块、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一二极管、第二二极管及第三二极管，其中：

所述第一电感的第一端与直流电源的正端连接，所述第一电感第二端分别与所述第一二极管的阳极、所述第二电容的第一端连接，所述第一二极管的阴极分别与所述第一电容的第二端、所述第三二极管的阳极及所述第二电感的第一端连接，所述第二电感的第二端分别与所述第二电容的第二端、所述开关模块的第一端及所述第三电容的第二端连接，所述第三二极管的阴极分别与所述第四电容的第二端及负载的正端连接，所述第四电容的第一端分别与所述负载的负端、所述第三电容的第一端及所述第二二极管的阳极连接，所述第二二极管的阴极分别与所述开关模块的第二端、所述第一电容的第一端及所述直流电源负端连接；

其中，所述准z源开关电容变换器的增益d为所述开关模块的驱动信号的占空比。

优选地，所述开关模块包括单个开关管。

优选地，所述开关模块包括多个并联的开关管串，每个所述开关管串包括多个串联的开关管。

优选地，所述开关管为igbt或者nmos。

优选地，所述第一电容、所述第二电容、所述第三电容及所述第四电容均为有极性电容，且所述第一电容、所述第二电容、所述第三电容及所述第四电容的第一端均为所述有极性电容的负端，所述第一电容、所述第二电容、所述第三电容及所述第四电容的第二端均为所述有极性电容的正端。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种新能源系统，包括新能源直流电源，还包括如上述所述的准z源开关电容变换器，所述新能源直流电源与所述准z源开关电容变换器连接。

优选地，所述新能源直流电源为光伏板。

本发明提供了一种准z源开关电容变换器，包括开关模块、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一二极管、第二二极管及第三二极管。

可见，本申请提供的准z源开关电容变换器的增益为可以在较低的占空比下实现高增益，而不需要级联实现高增益，降低了电路结构的复杂程度及成本；此外，还降低了开关管的导通损耗，提高了准z源开关电容变换器的效率；且由于变换器中只有一个开关模块，控制简单。

本发明还提供了一种新能源系统，具有与上述准z源开关电容变换器相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的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为传统的级联型dc-dc变换器的结构示意图；

图2为本发明提供的一种准z源开关电容变换器的结构示意图；

图3为本发明提供的准z源开关电容变换器在开关模块导通时的工作原理图；

图4为本发明提供的准z源开关电容变换器在开关模块关断时的工作原理图；

图5为本发明提供的准z源开关电容变换器的增益曲线示意图；

图6为本发明提供的准z源开关电容变换器的占空比d为0.421时的仿真波形图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种新能源系统及其准z源开关电容变换器，可以在较低的占空比下实现高增益，而不需要级联实现高增益，降低了电路结构的复杂程度及成本；此外，还降低了开关管的导通损耗，提高了准z源开关电容变换器的效率；且由于变换器中只有一个开关模块，控制简单。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

请参照图2，图2为本发明提供的一种准z源开关电容变换器的结构示意图(图中以开关模块为nmos、电容为有极性电容为例)，该变换器包括开关模块s、第一电感l1、第二电感l2、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、第一二极管d1、第二二极管d2及第三二极管d3，其中：

第一电感l1的第一端与直流电源vin的正端连接，第一电感l1第二端分别与第一二极管d1的阳极、第二电容c2的第一端连接，第一二极管d1的阴极分别与第一电容c1的第二端、第三二极管d3的阳极及第二电感l2的第一端连接，第二电感l2的第二端分别与第二电容c2的第二端、开关模块s的第一端及第三电容c3的第二端连接，第三二极管d3的阴极分别与第四电容c4的第二端及负载r的正端连接，第四电容c4的第一端分别与负载r的负端、第三电容c3的第一端及第二二极管d2的阳极连接，第二二极管d2的阴极分别与开关模块s的第二端、第一电容c1的第一端及直流电源vin负端连接；

其中，准z源开关电容变换器的增益d为开关模块s的驱动信号的占空比。

具体地，准z源开关电容变换器根据开关模块s的导通和关断包括两种工作模式，下面结合图3和图4(图中以开关模块s为nmos为例)对准z源开关电容变换器的工作原理作介绍，其中，图3为本发明提供的准z源开关电容变换器在开关模块导通时的工作原理图，图4为本发明提供的准z源开关电容变换器在开关模块关断时的工作原理图，虚线部分为非工作部分，可视为不存在：

当开关模块s导通时：

第一二极管d1和第二二极管d2关断，第三二极管d3开通，第一电容c1通过“第一电容c1-第二电感l2-开关模块s”回路对第二电感l2充电，第二电感l2的电流线性增加；

第一电感l1和直流电源vin通过“直流电源vin-第一电感l1-第二电容c2-开关模块s”回路向第二电容c2充电；

第一电容c1和第三电容c3通过“第三电容c3-开关模块s-第一电容c1-第三二极管d3-第四电容c4//负载r”回路向第四电容c4和负载r释放能量。

当开关模块s关断时：

第一二极管d1和第二二极管d2开通，第三二极管d3关断，第一电感l1和直流电源vin通过“直流电源vin-第一电感l1-第一二极管d1-第一电容c1”回路向第一电容c1充电；

第二电容c2通过“第二电容c2-第一二极管d1-第二电感l2”回路对第二电感l2充电，第二电感l2的电流线性增加；

第一电感l1、第二电感l2和直流电源vin通过“直流电源vin-第一电感l1-第一二极管d1-第二电感l2-第三电容c3-第二二极管d2”回路向第三电容c3充电；

第四电容c4通过“第四电容c4-负载r”回路向负载r释放能量。

需要说明的是，开关模块s一个周期内开通时间和周期时间的比值为占空比d；此外，本申请对于第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、第一电感l1和第二电感l2的取值并不做特别的限定，根据实际需要进行选择。

下面对本实施例中准z源开关电容变换器的增益进行计算：

准z源开关电容变换器中的开关模块s的驱动信号的占空比为d，在一个周期内，准z源开关电容变换器的输出电压为vo(即负载r的电压vo)，直流电源vin电压为vin，则：

当开关模块s开通时：

第一电感l1的电压vl1为：

其中，vc2为第二电容c2的电压，第一电感l1的电流线性增加；

第二电感l2的电压vl2为：

其中，vc1为第一电容c1的电压，第二电感l2的电流线性增加；

准z源开关电容变换器的输出电压vo为：

当开关模块s关断时：

第一电感l1的电压vl1为：

第二电感l2的电压vl2为：

第三电容c3的电压为：

当电路处于稳态工作时，根据式(1)、式(2)、式(4)、式(5)和第一电感l1、第二电感l2的伏秒平衡定理有：

其中，t为开关模块s的驱动信号的一个周期的时间；

联立式(7)和式(8),解得：

联立式(6)、式(9)和式(10)有：

联立式(3)、式(9)和式(11)有：

由于电路增益为输出电压与输入电压的比值，则本实施例中准z源开关电容变换器的增益g为：

请参照图5，图5为本发明提供的准z源开关电容变换器的增益曲线示意图。

为对本实施例提供的准z源开关电容变换器进行验证，本申请还搭建了图2所示的仿真电路，其中的仿真参数选择如下：

l1＝l2＝470uh、c1＝c2＝c3＝c4＝220uf、vin＝20v、r＝200ω；

当占空比选择为0.421时，此时的仿真结果如图6所示，dc-dc变换器的输出电压vo为200v，dc-dc变换器的增益g为10，符合图5的增益曲线。

可见，本实施例中的准z源开关电容变换器以低于0.5的占空比即可实现较高的增益g，降低了开关管的导通损耗，提高了准z源开关电容变换器的效率。且与现有技术中的级联型dc-dc变换器相比，本实施例中的准z源开关电容变换器的电路结构简单，成本低。且由于变换器中只有一个开关模块s，控制简单。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选地实施例，开关模块s包括单个开关管。

需要说明的是，在实际应用过程中，如果升压中的电流较小，则开关模块s可只由一个开关管组成，从而节约了成本，简化了准z源开关电容变换器的电路结构。

作为一种优选地实施例，开关模块s包括多个并联的开关管串，每个开关管串包括多个串联的开关管。

在实际应用过程中，如果升压中的电流较大，则为了避免损坏开关模块s，提高准z源开关电容变换器的安全性，开关模块s可由多个开关管串并联构成，从而适用于大电流和大电压的场景。

作为一种优选地实施例，开关管为igbt或者nmos。

nmos(n-metal-oxide-semiconductor，n型金属-氧化物-半导体)是开关管中的一种，在一块掺杂浓度较低的p型硅衬底(提供大量可以动空穴)上，制作两个高掺杂浓度的n+区(n+区域中有大量为电流流动提供自由电子的电子源)，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极和源极，然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(sio2)绝缘层，在漏——源极间的绝缘层上再装上一个铝电极(通常是多晶硅),作为栅极，在衬底上也引出一个电极，这就构成了一个n沟道增强型mos管。nmos具有开关速度快、开关损耗小的优点。

igbt(insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)是由bjt(双极型三极管)和mos(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有mosfet的高输入阻抗和gtr的低导通压降两方面的优点。

除了nmos和igbt之外，开关管还可以是其他类型的开关管，实际应用过程中根据需要进行选择。

作为一种优选地实施例，第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3及第四电容c4均为有极性电容，且第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3及第四电容c4的第一端均为有极性电容的负端，第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3及第四电容c4的第二端均为有极性电容的正端。

具体地，有极性电容的容量比较大，能够适用于高压高功率的场合，当然，本申请中也可以选用无极性电容，本申请在此不做特别的限定，根据实际情况来定。

本发明还提供了一种新能源系统，包括新能源直流电源，还包括如上述的准z源开关电容变换器，新能源直流电源与准z源开关电容变换器连接。

具体地，本申请的新能源系统包括新能源直流电源，具有可再生性和环境污染小等优点。新能源直流电源输出的电压经过准z源开关电容变换器升压后为负载供电，具有高增益、效率高、电路结构简单、成本低及控制简单的优点。

作为一种优选地实施例，新能源直流电源为光伏板。

具体地，光伏板通过光电转换把太阳光中包含的能量转化为电能，不会污染环境，也不会出现能源短缺。当然，这里的新能源电源还可以为其他类型的新能源电源，例如风力电池板，本申请在此不做特别的限定。

对于本发明提供的新能源系统的介绍请参照上述变换器实施例，本发明在此不再赘述。

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。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。