一种高增益直流升压变换电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了高增益直流升压变换电路，属于电力变换电路技术领域，输入电源的正极与变换电路电感的一端、充电二极管的阳极相连，输入电源的负极与变换电路开关管的发射极、变换电路输出滤波电容的低电位端、变换电路输出负载等效电阻的低电位端相连；变换电路电感的另一端与变换电路开关管的集电极、变换电路电容的低电位端相连，充电二极管的阴极与变换电路电容的高电位端、变换电路升压二极管的阳极相连，变换电路升压二极管的阴极与变换电路输出滤波电容的高电位端、变换电路输出负载等效电阻的高电位端相连。本发明实施直流电压的升压变换控制，获得比单级升压斩波变换电路高的输出电压增益，电路结构简单且效率高。
【专利说明】
一种高増益直流升压变换电路
技术领域
[0001] 本发明属于电力变换电路技术领域，具体涉及一种高增益直流升压变换电路。
【背景技术】
[0002] 当前，基于全球能源紧张及化石能源使用给环境产生的影响，风能与太阳能等可 再生能源正在被全社会广泛地接受并获得应用。然而，在可再生能源的开发应用过程中，由 于受到风速、光照、气候等因素的影响，可再生能源的使用受到很大的制约，其能源的随机 波动性是可再生能源被有效利用的最大障碍，如何让可再生能源发电装置在风力、光照变 动的情况下产生比较稳定的电能，是可再生能源发电系统需要配置的重要环节。
[0003] 尤其在光伏发电系统中，因光电池所产生的电压较低，在光伏电池被云层遮挡、光 强减弱等因素影响下，其输出电压将更低，为在更宽广的范围内有效使用光能，需要将光电 池所产生的电压调整到合适的范围，并实施最大功率跟踪(MPPT)控制，需要在光电池输出 端配置直流升压变换电路，将光伏电池产生的电能升压到设定范围。在直驱风力发电系统 中，其发电机输出的交流电经整流电路输出的直流电压将随环境风速的变化而变化，若要 将所产生的电能传输至交流电网，在实施逆变之前，必须使逆变器的输入直流电压控制在 适当的范围之内。考虑到直驱风力发电系统在使用过程中的风速变化范围较宽，又希望风 力发电系统在任意风况下输出最大功率，需要实施MPPT控制，因此，需要对风力发电系统输 出电压实施升压或降压控制，以便将逆变器的输入电压控制在合适的范围。从而，在新能源 发电领域，升压变换电路得到了广泛的应用。
[0004] 升压变换获得应用最典型的电路是Boost变换电路，在考虑升压变换电路元件实 际参数情况下，在占空比可控范围内，其升压比并不大，对可再生能源发电系统充分利用环 境的能量不利，配置多级升压变换电路又要影响系统的运行效率，需要在升压变换电路的 高增益、简单化方面下功夫，本发明便是一种现实可靠的高增益、高效率直流升压变换电 路。
【发明内容】
[0005] 发明目的:本发明的目的在于提供一种高增益直流升压变换电路，电路结构简单， 控制方便，效率高，实施直流电压的升压变换控制，获得比单级升压斩波变换电路高的输出 电压增益。
[0006] 技术方案:为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] -种高增益直流升压变换电路，包括输入电源E、变换电路电感U、变换电路电容 Ci、变换电路输出滤波电容C〇、充电二极管Di、变换电路升压二极管D2和变换电路开关管T; 所述输入电源E的正极与变换电路电感1^的一端、充电二极管Di的阳极相连，所述输入电源E 的负极与变换电路开关管T的发射极(场效应管时是源极）、变换电路输出滤波电容c〇的低 电位端、变换电路输出负载等效电阻R的低电位端相连;所述的变换电路电感U的另一端与 变换电路开关管T的集电极(场效应管时是漏极）、变换电路电容&的低电位端相连，充电二 极管Di的阴极与变换电路电容&的高电位端、变换电路升压二极管D2的阳极相连，变换电路 升压二极管D2的阴极与变换电路输出滤波电容Co的高电位端、变换电路输出负载等效电阻R 的高电位端相连。
[0008] 若电路输出电压的脉动范围控制在稳定值的±1%，变换电路输出滤波电容Co满 足式(I):
[0009]
(I)·
[0010] 其中:R为变换器输出负载等效电阻，Ts为开关管控制周期。
[0011] 设变换器电路需要转换的最大功率为PMax，变换器输入电流脉动小于稳态值的 10%，变换器电路输入电流的最大值：lM ax = PMax/E，所述变换电路电感。额定电流ule = ,\()ET life，变换电路电感冬1。
[0012] 当变换电路开关管Τ开通、关断工作时：
[0013]变换电路开关管Τ额定电流ITe=(1.2:1.5)lMax;
[0014] 变换电路开关管T额定电压=(1 5: 2.0)0 + ^)5:其中，变换电路开关管τ的 1-σ 占空比为
[0015] 当变换电路开关管Τ开通、关断工作时：
[0016] 所述的变换电路升压二极管02额定电流ID2e = (1.2:1.5)Ιμμ;
[0017] 所述的充电二极管定电流IDle=(2.0:3.0)lMax;
[0018] 所述的充电二极管m额定电压1/肌,=(1.5: 2.0)(1+-1^5 1-σ
[0019] 所述的变换电路升压二极管D2额定电Β
[0020] 当变换电路开关管T开通、关断工作时：
[0021] 所述的变换电路电容&额定电压Ucle3=(1.5:2.0)E;
[0022] 所述的变换电路输出滤波电容Co额定电压
[0023] 有益效果:与现有技术相比，本发明的高增益直流升压变换电路由电感元件、电容 元件实现并联充电、串联放电，将输入直流电压予以提升；由单个开关管控制电感元件、电 容元件的并联充电、串联放电，实施直流电压的升压变换控制，获得比单级升压斩波变换电 路高的输出电压增益，电路结构简单，控制方便，效率高。
【附图说明】
[0024]图1是高增益直流升压变换电路；
[0025]图2是开关管开通时电路工作情况；
[0026]图3是开关管断开时电路工作情况。
【具体实施方式】
[0027]以下结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步的说明。
[0028]图1是高增益直流升压变换电路，包括输入电源E、变换电路电感U、变换电路电容 Ci、变换电路输出滤波电容Co;Di为变换电路电容心的充电二极管，D2为变换电路升压二极 管，T为变换电路开关管，R为变换电路输出负载等效电阻，Uo是变换电路输出电压。
[0029]输入电源E的正极与变换电路电感1^的一端、充电二极管Di的阳极相连，输入电源E 的负极与变换电路开关管T的发射极(场效应管时是源极）、变换电路输出滤波电容Co的低 电位端、变换电路输出负载等效电阻R的低电位端相连，变换电路电感U的另一端与变换电 路开关管T的集电极(场效应管时是漏极）、变换电路电容&的低电位端相连，充电二极管Di 的阴极与变换电路电容Ci的高电位端、变换电路升压二极管D 2的阳极相连，变换电路升压二 极管D2的阴极与变换电路输出滤波电容Co的高电位端、变换电路输出负载等效电阻R的高电 位端相连。
[0030] 该升压变换电路的工作原理，可以按照变换电路开关管T在一个控制周期内的开 通、关断状态下电路的工作情况来分析。为便于分析电路工作原理，先对电路一些参数进行 一些说明。假定电路工作频率足够高，在开关管工作期间，变换电路电感1^、变换电路电容 Ci、变换电路输出滤波电容C。足够大，则在变换电路开关管T开通、关断过程中，电容上电压、 电感的电流基本上不变化。
[0031] 当变换电路开关管T开通时，电路中的电流路径有两个，如图2所示，第一条是从电 源E"+"4D14C 14T4E"-"；第二条是从电源E"+"4L14T4E"-"，电路输出电压由电容电压 保持。
[0032] 按照KVL定律，对第1条电流通路有方程：
[0033]
(1)
[0034] 在电源电压作用下，电感电流iLi增加，
[0035] 对第2条电流通路，因回路阻抗很小，在开关管开通期间，电容(^上很快被充电至 电源电压E;
[0036] Uci = E (2)
[0037] 当变换电路开关管T关断时，电感所存储的电能将要释放，其电流通路如图3所示， 电流路径为:E"+"4Ll4Cl4D24C。(R)4E"」'，同样有：
[0038]
C3)
[0039] 由于变换电路电感Li的磁场能量向负载传递，电感电流将要减小，& < 0，因此 di 公式(3)中加上绝对值符号"I I"；
[0040] 设变换电路开关管T的占空比为从公式(1)-(3)可得：
[0041 ]
(4)
[0042] t〇n为变换电路开关管T以开关周期Ts工作情况下的开通时间。
[0043] 由于开关管的占空比总是小于1的，同样工作状态下，Boost变换电路的升压比为 7^-，因7^_>h该电路实现了输入直流电压的高增益变换。 1 - σ 1 -σ 1 - σ
[0044] 高增益直流升压变换电路的元件参数选择：
[0045] (1)变换电路电感U
[0046] 在变换电路工作过程中，变换电路电感1^值越大，输入电流越稳定，但元件的体积 会增大，电路的成本将增加。
[0047] 若变换器电路需要转换的最大功率为PMax，变换器电路输入电流的最大值：IMax = PMax/E，则电感电流参数便以此为基础适当留有一定的余量进行选择设计。
[0048] lLle=lMax；
[0049] (2)变换电路开关管T
[0050] 由于开关管在开通时流过电感电流，开关管额定电流按照电感电流最大值的1.2- 1.5倍选择。当开关管关断时，管子所承受的电压理论上达到电源电压的1 ++倍，因此，开 1-σ 关管额定电压取为其实际承受电压的1.5-2.0倍。
[0051] Τ 额定电流 ITe=(1.2:1.5)lMax;
[0052] T 额定电压 =(1.5:
[0053] (3)二极管
[0054] 变换电流中的二极管在变换电路开关管T开通、关断过程中，D2将流过电感电 流，DJ#流过电容的充电电流，因此，二极管02的额定电流按照电感电流最大值的1.2-1.5倍 选择，考虑电容充电电流较大，Di的额定电流适当放大，按照2.0-3.0倍选择。额定电压按照 其实际所承受的电压1.5-2.0倍选择。
[0055] D2 额定电流 lD2e = (1.2: 1.5)lMax;
[0056] Dl额定电流lDle = (2.0 :3.0)lMax;
[0057] 0邊页定电压
[0058] D2额定电压
[0059] (4)变换电路电容&、变换电路输出滤波电容C。
[0060] 变换电路中，电容元件&、0)越大，电路电压的保持能力越强，但容量大意味着电路 的体积增大，成本增加。它们的额定电压按照其实际承受电压的1.5-2.0倍选取。
[0061] &额定电压 Ucle=(1.5:2.0)E;
[0062] Co额定电压
[0063 ]若电路输出电压的脉动范围控制在稳定值的1 %左右，变换器输出滤波电容按照 下式选取。R为变换器输出负载等效电阻，TS为开关管控制周期。
【主权项】
1. 一种高增益直流升压变换电路，其特征在于:包括输入电源E、变换电路电感L1、变换 电路电容心、变换电路输出滤波电容C〇、充电二极管D 1、变换电路升压二极管02和变换电路 开关管T;所述输入电源E的正极与变换电路电感1^的一端、充电二极管D 1的阳极相连，所述 输入电源E的负极与变换电路开关管T的发射极、变换电路输出滤波电容Co的低电位端、变 换电路输出负载等效电阻R的低电位端相连;所述的变换电路电感Li的另一端与变换电路 开关管T的集电极、变换电路电容(^的低电位端相连，充电二极管0:的阴极与变换电路电容 Ci的高电位端、变换电路升压二极管D2的阳极相连，变换电路升压二极管D2的阴极与变换电 路输出滤波电容Co的高电位端、变换电路输出负载等效电阻R的高电位端相连。2. 根据权利要求1所述的高增益直流升压变换电路，其特征在于:若电路输出电压的脉 动范围控制在稳定值的± 1 %，变换电路输出滤波电容Co满足式(I):(I); 其中:R为变换器输出负载等效电阻，Ts为开关管控制周期。3. 根据权利要求2所述的高增益直流升压变换电路，其特征在于:设变换器电路需要转 换的最大功率为Pmm，变换器输入电流脉动小于稳态值的10%，变换器电路输入电流的最大 值:IMax=PMax/E，所述变换电路电感1^额定电流Iue = IMax，变换电路电I4. 根据权利要求3所述的高增益直流升压变换电路，其特征在于：当变换电路开关管T 开通、关断工作时： 变换电路开关管T额定电流ITe= (1.2:1.5) Imm; 变换电路开关管;其中，变换电路开关管T的占空5. 根据权利要求4所述的高增益直流升压变换电路，其特征在于：当变换电路开关管T 开通、关断工作时： 所述的变换电路升压二极管〇2额定电流ID2e= (1.2:1.5) Iifex; 所述的充电二极管定电流IDle= (2.0:3.0) Iifex; 所述的充电二极管定电压6、, =(1.5 : 2.0)(1+^^ ; I-O- 所述的变换电路升压二极管〇2额定电压= (1.5 : 。 .1 - σ6. 根据权利要求4所述的高增益直流升压变换电路，其特征在于：当变换电路开关管T 开通、关断工作时： 所述的变换电路电容&额定电压Ucie3 = (1.5:2.0)Ε; 所述的变换电路输出滤波电容Co额定电￡
【文档编号】H02M3/156GK105896974SQ201610431900
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月15日
【发明人】陈荣
【申请人】盐城工学院