非隔离高增益dc-dc升压变换器的制造方法
【专利摘要】本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及非隔离高增益DC?DC升压变换器，该变换器拓扑单元包括：有源网络，倍压整流网络，稳压电容；所述有源网络，采用两个全控开关管和电感串联的模块相互并联而成；所述倍压整流网络，采用两个二极管串联，在两二极管之间接入电容一端形成三端网络；所述稳压电容，其正极和倍压整流三端网络中二极管负极相连，其负极和有源网络的输入电压负极相接。本发明提供的非隔离高增益DC?DC升压变换器，用于光伏发电系统中，使得直流升压电路的电压增益高，控制策略简单，装置体积较小，升压拓扑中开关管电压应力、电流引力较小。
【专利说明】
非隔离高増益DC-DC升压变换器
技术领域
[0001]本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及非隔离高增益DC-DC升压变换器。
【背景技术】
[0002]随着化石能源的日益枯竭与其燃烧后对环境的污染问题等越来越受到国际社会 的关注之后。寻找新型、可再生、无污染的能源成为了摆在人类面前迫在眉睫的大事。光伏 电能因其取之不尽用之不竭、清洁无污染等优点，成为了人们对未来能源需求研究的重点 课题，潜力巨大。
[0003]由于光伏发电系统中光伏板直接输出的直流电压较低，一般为33-43V，而针对 AC220V的市电，即使是使用全桥并网逆变器，其直流输入母线电压一般也要380V，如何实现 高增益DC-DC升压是实现光伏并网发电系统中急需要解决的问题之一。
[0004] 隔离型DC-DC变换器通过增加拓扑结构中高频变压器的匝数比来提高电压。但过 高的匝数比会影响变换器的线性度，同时变换器的漏感也是急需要考虑的问题，在系统体 积和变换效率上相较于非隔离型DC-DC变换器也存在诸多不足，因此非隔离型变换器才是 时下研究的重点。
[0005] 虽然Boost变换器当占空比接近1时，在理论上其电压增益可以接近无穷大，但随 着开关关断时间的缩短:其电感电流纹波，功率器件峰值电流和输出电流纹波都将逐渐变 大;其有源开关管和无源开关管的电压应力等于输出电压，过大的电压应力会大大增加变 换器的功率损耗降低变换器的传输效率。所以基本Boost变换器在实际应用中为了保证一 定的变换效率，其一般只适用于电压增益不大于6的场合。
[0006] 为了提高电压增益和变换器能量传输效率，已经提出了很多非隔离型高增益DC-DC升压变换器。一些文献通过在Boost电路中引入开关电感的方式，给出了该拓扑在理想条 件下的稳态分析，具有简单的控制策略，但该变换器拓扑中开关管的电压应力仍然较高，而 其电压增益依然较低。有些文献采用Boost电路多电平输出的方式来实现电压高增益，但要 实现高增益的前提是必须增加输出的电平数，即电容数量也要随着增加，这大大增加了拓 扑结构的复杂性。部分文献采用两个Boost电路级联的方式来实现电压高增益，但是其前后 两级Boost电路存在控制节拍差，且其后级Boost电路中开关管的电压应力等于输出电压。 另一些文献通过在Boost电路中引入开关电容的方式，实现电压高增益，但随着升压比的提 升，电路中的二极管、电容数量必将大量增加，且其电感电流应力依然较大。
【发明内容】
[0007] 针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种控制策略简单、体积较小的非隔 离高增益DC-DC升压变换器。
[0008] 具体的技术方案为：
[0009] 非隔离高增益DC-DC升压变换器，该变换器拓扑单元包括:有源网络，倍压整流网 络，稳压电容；
[0010] 所述有源网络，采用两个全控开关管和电感串联的模块相互并联而成；
[0011] 所述倍压整流网络，采用两个二极管串联，在两二极管之间接入电容一端形成三 端网络；
[0012] 所述稳压电容，其正极和倍压整流三端网络中二极管负极相连，其负极和有源网 络的输入电压负极相接。
[0013] 具体的：开关管S2的上端和电感L2的上端相连，直接接直流输入电源的正极；电感 L1上端和开关管S2下端相连;开关管S1上端和电感L2下端相连；电感L1的下端和开关管S1 的下端相连，直接接入直流输入电源的负极;二极管D1的正极与电感L2的下端相连，负极分 别与电容C1的正极、二极管D2的正极相连；电容C1的负极与开关管S2的下端相连，正极和二 极管D2的正极相连;稳压电容C2的正极和二极管D2的负极相连，负极和输入直流电源的负 极相连;负载Rd和稳压电容C2并联。
[0014]所述的非隔离高增益DC-DC升压变换器，对应的三个工作模态分别为：
[0015]第一工作模态:开关管S1、开关管S2和二极管D2导通，二极管D1截止；
[0016]第二工作模态:开关管S1、开关管S2和二极管D2截止，二极管D1导通；
[0017]第三工作模态:开关管S1、开关管S2、二极管D1、二极管D2均截止。
[0018] 该新型变换器，其特征在于，包括如权利要求1所述的拓扑单元，其中：
[0019] 开关管S2和开关管S1采用同一 PWM波控制信号，进行同步控制。
[0020] 第一工作模态:此时直流电源电压直接分别加载在电感L1和电感L2上，分别给电 感L1和电感L2充电，此刻电感L1和电感L2两端的电压Uli、Ul2都等于电源电压，电感L1、电感 L2的电流Iu、Il2都成线性增长;同时电源电压UDC和电容C1两端电压UC1串联给稳压电容C2和 负载Rd供电。
[0021] 第二工作模态:此时电感L1、电感L2两端的感应电动势UL1、UL2,外加电源电压U DC相 互串联给电容C1充电；负载Rd由稳压电容C2单独供电。
[0022] 第三工作模态:此时电感L1、电感L2的电流IL1、IL2断续为零。整个拓扑结构中，由 稳压电容C2给负载Rd供电。
[0023]本发明提供的非隔离高增益DC-DC升压变换器，拓扑结构由一个有源网络外加一 个倍压整流电路组合变形设计而来。该发明具有如下特点:在相同占空比的条件下，变换器 具有2倍于传统Boost拓扑结构的电压增益;变换器中两有源开关管的电压应力为输出电压 的一半，即为传统Boost电路中有源开关管电压应力的一半;变换器中两电感电流一直相等 而无任何均流控制，且其两有源开关管采用同步控制，控制策略简单。在工业运用中具有很 好地实用价值。
[0024]本发明提供的非隔离高增益DC-DC升压变换器，用于光伏发电系统中，使得直流升 压电路的电压增益高，控制策略简单，装置体积较小，升压拓扑中开关管电压应力、电流引 力较小。
【附图说明】
[0025]为了更清楚地阐述此非隔离高增益DC-DC升压变换器的工作原理和工作模式，现 对其各个开关管的导通、截止组合，对其拓扑中主要元器件的各种电压电流信号，对其拓扑 结构中各种工作模态下的等效拓扑结构做附图介绍：
[0026] 图1为本发明的拓扑结构图。
[0027] 图2为实施例中电子元器件上流过的电流、加载的电压的波形信号图。
[0028] 图3为实施例工作在第一工作模态下时的等效电路图。
[0029] 图4为实施例工作在第二工作模态下时的等效电路图。
[0030] 图5为实施例工作在第三工作模态下时的等效电路图。
【具体实施方式】
[0031] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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 例仅仅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，都应当属于本发明保护 的范围。
[0032] 实施例一
[0033]如图1，其示出了本非隔离高增益DC-DC升压变换器拓扑结构的连接方式。其中开 关管S2的上端和电感L2的上端相连，直接接直流输入电源的正极；电感L1上端和开关管S2 下端相连;开关管S1上端和电感L2下端相连;电感L1的下端和开关管S1的下端相连，直接接 入直流输入电源的负极;二极管D1的正极与电感L2的下端相连，负极与电容C1的正极、二极 管D2的正极相连；电容C1的负极与开关管S2的下端相连，正极和二极管D2的正极相连;稳压 电容C2的正极和二极管D2的负极相连，负极和输入直流电源的负极相连；负载Rd和稳压电 容C2并联。其中开关管S2和开关管S1采用同一 PWM波作为控制信号，即开关管S2和开关管S1 进行同步控制。
[0034]如表1，其工作模态序号1、2示出了本非隔离高增益DC-DC升压变换器在电感电流 连续(CCM)模式下的开关管导通、截止状态表图。
[0035]表1在三种工作模态下时的开关管导通、截止状态表图
[0037]在CCM模式下该新型变换器对应的两种开关管工作模态为：
[0038]工作模态序号1:开关管S1、开关管S2和二极管D2导通，二极管D1截止；
[0039]工作模态序号2:开关管S1、开关管S2和二极管D2截止，二极管D1导通；
[0040]如图2a，其示出了本非隔离高增益DC-DC升压变换器工作在CCM模式下时，电路中 一些主要电子元器件的电压、电流信号波形。其中Ugs为开关管S2和开关管S1的控制信号， IL1和IL2分别为流过电感L1和电感L2的电流，UL1和UL2分别为电感L1和电感L2两端的电 压，UC1和UD1分别为加载在电容C1和二极管D2两端的电压，ID1是流过二极管D1的电流。
[0041] 如图3,此时直流电源电压直接分别加载在电感L1和电感L2上，分别给电感L1和电 感L2充电，此刻电感L1和电感L2两端的电压Uli、Ul2都等于电源电压，电感L1、电感L2的电流 成线性增长;同时电源电压U DC和电容C1两端电压UC1串联给稳压电容C2和负载Rd供 电。
[0042] 如图4,此时电感L1、电感L2两端的感应电动势Uli、Ul2,外加电源电压Udc相互串联 给电容C1充电；负载Rd由稳压电容C2单独供电。
[0043] 实施例二
[0044] 如图1，其示出了本非隔离高增益DC-DC升压变换器拓扑结构的连接方式。其中开 关管S2的上端和电感L2的上端相连，直接接直流输入电源的正极；电感L1上端和开关管S2 下端相连;开关管S1上端和电感L2下端相连;电感L1的下端和开关管S1的下端相连，直接接 入直流输入电源的负极;二极管D1的正极与电感L2的下端相连，负极与电容C1的正极、二极 管D2的正极相连；电容C1的负极与开关管S2的下端相连，正极和二极管D2的正极相连;稳压 电容C2的正极和二极管D2的负极相连，负极和输入直流电源的负极相连；负载Rd和稳压电 容C2并联。其中开关管S2和开关管S1采用同一PWM波作为控制信号，即S2和S1进行同步控 制。
[0045] 如表1，其工作模态序号1、2、3示出了本非隔离高增益DC-DC升压变换器在电感电 流断续(DCM)模式下的开关管导通、截止状态表图。在DCM模式下该新型变换器对应的三种 开关管工作模态为：
[0046] 工作模态序号1:开关管S1、开关管S2和二极管D2导通，二极管D1截止；
[0047]工作模态序号2:开关管S1、开关管S2和二极管D2截止，二极管D1导通；
[0048]工作模态序号3:开关管S1、开关管S2、二极管D1、二极管D2均截止。
[0049] 如图2b，其示出了本非隔离高增益DC-DC升压变换器工作在DCM模式下电路中一些 主要元器件的电压、电流信号波形。其中Ugs为开关管S2和开关管S1的ΠΜ波控制信号，IL1 和IL2分别为流过电感器L1和电感L2的电流，UL1和UL2分别为加载在电感L1和电感L2两端 的电压，UC1和UD1分别为加载在电容器C1和二极管D2两端的电压，ID1是流过二极管D1的电 流。
[0050] 如图3，此时直流电源电压直接分别加载在电感L1和电感L2上，分别给电感L1和电 感L2充电，此刻电感L1和电感L2两端的电压Uli、Ul2都等于电源电压，电感L1、电感L2的电流 成线性增长;同时电源电压UDC和电容C1两端电压UC1串联给稳压电容C2和负载Rd供 电。
[0051 ] 如图4,此时电感L1、电感L2两端的感应电动势Uli、Ul2,外加电源电压Udc相互串联 给电容C1充电；负载Rd由稳压电容C2单独供电。
[0052] 如图5,此时电感L1、电感L2的电流IL1、IL2断续为零。整个拓扑结构中，由稳压电容 C2给负载Rd供电。
[0053]需要说明的是，本说明书中各个实施案例都是采用递进的方式进行描述的，以上 是对本发明所提出的一种非隔离高增益DC-DC升压变换器进行了详细介绍，本文应用具体 个例对本发明的原理及其实施方式进行了阐述，以上实施案例的说明只是用于帮助理解本 发明的方法及其核心思想。
【主权项】
1. 非隔离高增益DC-DC升压变换器，其特征在于，该变换器拓扑单元包括，有源网络、倍 压整流网络和稳压电容； 所述有源网络，包括两个模块相互并联，每个模块由开关管和电感串联组成； 所述倍压整流网络，包括两个串联的二极管，两个二极管之间接入电容的一端，形成三 端网络； 所述稳压电容，其正极和倍压整流的三端网络中二极管负极相连，其负极和有源网络 的输入电压负极相接。2. 根据权利要求1所述的非隔离高增益DC-DC升压变换器，其特征在于，所述的有源网 络包括开关管S1、开关管S2、电感L1、电感L2; 所述的倍压整流网络包括二极管D1、二极管D2、电容C1; 开关管S2的上端和电感L2的上端相连，直接接直流输入电源的正极；电感L1上端和开 关管S2下端相连;开关管S1上端和电感L2下端相连;电感L1的下端和开关管S1的下端相连， 直接接入直流输入电源的负极;二极管D1的正极与电感L2的下端相连，负极分别与电容C1 的正极、二极管D2的正极相连；电容C1的负极与开关管S2的下端相连，正极和二极管D2的正 极相连;稳压电容C2的正极和二极管D2的负极相连，负极和输入直流电源的负极相连;负载 Rd和稳压电容C2并联。3. 根据权利要求1所述的非隔离高增益DC-DC升压变换器，其特征在于，包括三个工作 模态分别为： 第一工作模态:开关管S1、开关管S2和二极管D2导通，二极管D1截止； 第二工作模态:开关管S1、开关管S2和二极管D2截止，二极管D1导通； 第三工作模态:开关管S1、开关管S2、二极管D1、二极管D2均截止。4. 根据权利要求3所述的非隔离高增益DC-DC升压变换器，其特征在于，所述的开关管 S2和开关管S1采用同一 PWM波控制信号，进行同步控制。5. 根据权利要求3所述的非隔离高增益DC-DC升压变换器，其特征在于，所述的第一工 作模态： 直流电源电压直接分别加载在电感L1和电感L2上，分别给电感L1和电感L2充电，此刻 电感L1和电感L2两端的电压Uli、Ul2都等于电源电压，电感L1、电感L2的电流Ili、Il2都成线性 增长;同时电源电压Udc和电容C1两端电压Uq串联给稳压电容C2和负载Rd供电。6. 根据权利要求3所述的非隔离高增益DC-DC升压变换器，其特征在于，所述的二工作 模态： 电感L1、电感L2两端的感应电动势Uli、Ul2,外加电源电压Udc相互串联给电容C1充电；负 载Rd由稳压电容C2单独供电。7. 根据权利要求3所述的非隔离高增益DC-DC升压变换器，其特征在于，所述的第一工 作模态:三工作模态： 电感L1、电感L2的电流Iu、Il2断续为零。整个拓扑结构中，由稳压电容C2给负载Rd供电。
【文档编号】H02M3/158GK106026657SQ201610537360
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月8日
【发明人】董秀成, 陈庚, 李浩然, 代莎
【申请人】西华大学