一种升压电路及其装置和系统的制作方法

本发明涉及电路升压技术领域，更具体来讲，涉及一种升压电路及其装置和系统。

背景技术：

目前，光伏发电系统的输入电压在逐步提升，目前已提升到1500v，考虑到成本及其他因素，光伏逆变器的前级升压电路通常由两电平改为三电平电路。目前，如图1所示出的飞跨电容型三电平升压电路在初始上电时，由于飞跨电容上电压为零，会导致下臂开关管q2承受全部输入电压，容易导致开关管q2的损坏。

针对上述问题，公布号为cn108923632a的中国专利文献提出了一种多电平boost装置，其通过设置依次串联的n个分压模块分别与n个第一开关一一对应并联，能够实现n个第一开关之间的电压分配，进而使n个第一开关两端的电压均处于安全范围内，即便启机时输入电压较高而飞跨电容上电压为零，也能够避免第2个至第n个第一开关因过压而击穿失效的问题。

上述文献一定程度上解决了飞跨电容型三电平升压电路在初始上电时下臂开关管的击穿问题。然而，其仍具有如下缺陷：在升压电路处于正常工作状态下，由于飞跨电容c1参与到升压过程，因此其电压值存在较大的波动，从而存在飞跨电容c1和分压电容c21的电压不平衡的现象。如不对上述不平衡现象作处理，在多次工作周期后，会导致分压电容c21的电压值越来越高，飞跨电容c1的电压值越来越低，呈现明显的两极分化现象。当分压电容c21的电压值高于对应的下臂开关管所能承受的耐压值时，将直接导致下臂开关的击穿，从而损坏电路，并造成工作损失。

如何在飞跨电容型三电平升压电路的上电、下电以及正常工作状态下，均能保证在常规成本下挑选的各器件能够安全、稳定且有效地工作，是本案所要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述技术问题，提供一种升压电路及其装置和系统。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种升压电路，包括第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端、电感、第一可控开关、第二可控开关、第一电容、第一二极管和第二二极管；其还包括如下器件：第二电容、第三二极管和第四二极管；

所述第一可控开关和第二可控开关串接后构成第一支路，其中，所述第一可控开关的第一端和第二可控开关的第二端分别构成第一支路的第一端和第二端；

所述第一二极管和第二二极管串接后构成第二支路，其中，所述第一二极管的阳极和第二二极管的阴极分别构成第二支路的第一端和第二端；

所述第一电容、第三二极管和第二电容串接后构成第三支路，其中，所述第三二极管的阳极和阴极分别连接第一电容和第二电容的一端，所述第一电容和第二电容的另一端分别构成第三支路的第一端和第二端；

所述第四二极管构成第四支路，其中，所述第四二极管的阳极和阴极分别构成第四支路的第一端和第二端；

所述第一输入端通过所述电感连接第一支路和第二支路的第一端；所述第三支路的第一端连接第二支路中第一二极管和第二二极管间的公共点；所述第一输出端连接第二支路的第二端；所述第二输入端连接第一支路、第三支路和第二输出端；

所述第一支路中第一可控开关和第二可控开关间的公共点连接所述第二支路中第一电容和第三二极管间的公共点；

所述第四支路的第一端连接所述第三支路中第三二极管和第二电容间的公共点，其第二端连接所述第二支路中第一二极管和第二二极管间的公共点。

在某一实施例中：所述第一电容和第二电容的容值相同。

在某一实施例中：所述第一输出端和第二输之间串接有第一输出电容和第二输出电容，所述第一输出电容和第二输出电容的容值相同。

在某一实施例中：还包括第五二极管；所述第五二极管的阳极连接所述第一输出电容和第二输出电容间的公共点，其阴极连接所述第一二极管和第二二极管间的公共点。

为实现上述目的，本发明的第二方面提供了一种逆变装置，其包括后级逆变电路和前级电路；所述前级电路采用如上述技术方案所述的升压电路；

所述升压电路用于将由其输入端输入的电压升压后从所述输出端输出；所述逆变电路的输入端耦合所述升压电路的输出端，用以将其输出的直流电逆变为交流电。

为实现上述目的，本发明的第三方面提供了一种光伏发电装置，其包括光伏组件、前级电路和后级电路；所述前级电路采用如上述技术方案所述的升压电路；

所述光伏组件耦合所述升压电路的输入端；所述升压电路用于将光伏组件的输出电压升压后由其输出端输出至后级电路。

为实现上述目的，本发明的第四方面提供了一种光伏发电系统，其包括多个光伏组件、前级电路和后级电路；所述前级电路采用如上述技术方案所述的升压电路；

所述光伏组件耦合所述升压电路的输入端；所述升压电路用于将光伏组件的输出电压升压后由其输出端输出至后级电路。

在某一实施例中：所述光伏组件与升压电路一一对应。

在某一实施例中：多个升压电路的输出端并联后连接至后级电路。

在某一实施例中：所述后级电路为逆变电路，其输入端耦合所述升压电路的输出端，用以将其输出的直流电逆变为交流电。

相较于现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)本发明实施例的升压电路，第一电容通过第三二极管、第二电容连接至第二输出端；在上电时，第二电容与第一电容配合，分别充电至输入电压的一半，而两个可控开关可视为分别与第一电容和第二电容并联，因此其电压受相应电容两端电压的限制而处于安全范围内，解决了上电时飞跨电容上电压为零导致下臂开关管因过压而击穿失效的问题；在对第一可控开关和第二可控开关进行选型时，基本只需采用耐压值稍高于输出电压的一半的器件，符合器件选型的成本要求；

(2)本发明实施例的升压电路，设有第四支路，可在电路下电时为第二电容建立放电回路，提高电路运行的安全性和稳定性；

(3)本发明实施例的升压电路，第四支路上的第四二极管，其阴极连接至所述第一二极管和第二二极管的公共点，在工作周期内，如出现第一电容和第二电容的电压不平衡现象，可使第二电容通过第四二极管向第一电容放电，以平衡二者间的电压；

(4)本发明实施例的升压电路，设有第五二极管，其阳极连接所述第一输出电容和第二输出电容间的公共点，其阴极连接所述第一二极管和第二二极管间的公共点；在输入端无电，输出端有电时，母线会通过第五二极管使第一电容和第二电容分别充电至半母线电压，从而将第二二极管两端的电压钳位在半母线电压，并使第一二极管和第二二极管承受的电压基本均匀分布，从而保护第二二极管不被击穿；

(5)本发明实施例的升压电路，第四二极管连接至所述第一二极管和第二二极管的公共点，即连接到而第五二极管的阴极，而第五二极管的阳极连接至所述第一输出电容和第二输出电容间的公共点，使得第四二极管阴极端的最大电位为半母线电压，使其在任何状态下均处于安全电压范围内，防止其被击穿。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来说，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是常规的飞跨电容型三电平升压电路结构图；

图2是本发明实施例1的升压电路结构图；

图3是本发明实施例1的升压电路在上电时的电流回路示意图；

图4是本发明实施例1的升压电路在下电时的电流回路示意图；

图5是本发明实施例1的升压电路在正常工作状态下，且第一可控开关关断，第二可控开关导通时的电流回路示意图；

图6是本发明实施例1的升压电路在正常工作状态下，且第一可控开关关断，第二可控开关关断时的电流回路示意图；

图7是本发明实施例1的升压电路在正常工作状态下，且第一可控开关导通，第二可控开关关断时的电流回路示意图；

图8是本发明实施例1的升压电路在正常工作状态下，且第一可控开关导通，第二可控开关导通时的电流回路示意图；

图9是本发明实施例2的升压电路结构图；

图10是本发明实施例2的升压电路在输入端无电，输出端有电时的电流回路示意图；

图11是本发明实施例3的逆变装置的结构示意图；

图12是本发明实施例4的光伏发电装置的结构示意图；

图13是本发明实施例5的光伏发电系统的结构示意图；

图14是本发明实施例6的光伏发电系统的结构示意图。

具体实施方式

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的优选实施例，且不应被看作对其他实施例的排除。基于本发明实施例，本领域的普通技术人员在不作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。

本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，如使用术语“第一”、“第二”或“第三”等，都是为了区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，如使用术语“包括”、“具有”以及它们的变形，意图在于“包含但不限于”。

参照图2，本发明实施例1提供了一种升压电路，具有输入端和输出端。所述输入端包括第一输入端、第二输入端，所述输出端包括第一输出端、第二输出端。

通常来说，本实施例的升压电路可用于各类应用场景，因而其输入端可与各类电源输入装置耦合，以从其接收电源输入。在本文的各实施例中，均以光伏发电领域的应用场景为例介绍，因而输入端耦合光伏组件pv1，其将光能转化为直流电能后输入升压电路，以将其升压后对其进行有效利用。光伏组件pv1的正极构成所述第一输入端，其负极构成所述第二输入端。

此外，本文的各实施例及相应附图中，所述第一输出端和第二输出端之间串接有第一输出电容和第二输出电容。在本发明升压电路应用于光伏发电领域时，通常将输出端称为母线，输出端上的各电容称为母线电容。从而，在第一输出端和第二输出端和两个电容间的公共点，分别向后级电路提供三种电平以供其使用需要。

然而值得说明的是，本发明不限于上述光伏发电领域的应用场景，因此输入端和输出端的耦合形式不局限于本文中各具体实施例的形式。

所述升压电路还包括以下器件：电感l1、第一可控开关q1、第二可控开关q2、第一电容c1、第二电容c2、第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3和第四二极管d4。

所述电感l1用于在工作周期中进行储存电能和释放电能的循环，以将输入端的电压升压后输出至输出端，其具体工作情况将在下文中详述。

在本发明实施例中，除电感l1外的其他各器件对应连接后构成以下的第一支路、第二支路、第三支路和第四支路。

所述第一可控开关q1和第二可控开关q2串接后构成第一支路，其中，所述第一可控开关q1的第一端和第二可控开关q2的第二端分别构成第一支路的第一端和第二端。本实施例中，所述第一可控开关q1和第二可控开关q2可采用三极管或场效应管。当其采用三极管时，所述第一可控开关q1和第二可控开关q2的第一端为集电极，第二端为发射极；当其采用场效应管时，所述第一可控开关q1和第二可控开关q2的第一端为漏极，第二端为源极。

所述第一二极管d1和第二二极管d2串接后构成第二支路，其中，所述第一二极管d1的阳极和第二二极管d2的阴极分别构成第二支路的第一端和第二端。

所述第一电容c1、第三二极管d3和第二电容c2串接后构成第三支路，其中，所述第三二极管d3的阳极和阴极分别连接第一电容c1和第二电容c2的一端，所述第一电容c1和第二电容c2的另一端分别构成第三支路的第一端和第二端。

所述第四二极管d4构成第四支路，其中，所述第四二极管d4的阳极和阴极分别构成第四支路的第一端和第二端。

以下介绍升压电路中各支路的具体连接关系：

所述第一输入端通过所述电感l1连接第一支路和第二支路的第一端；所述第三支路的第一端连接第二支路中第一二极管d1和第二二极管d2间的公共点；所述第一输出端连接第二支路的第二端；所述第二输入端连接第一支路、第三支路和第二输出端。

此外，所述第一支路中第一可控开关q1和第二可控开关q2间的公共点连接所述第二支路中第一电容c1和第三二极管d3间的公共点。而所述第四支路的第一端连接所述第三支路中第三二极管d3和第二电容c2间的公共点，其第二端连接所述第二支路中第一二极管d1和第二二极管d2间的公共点。

通过上述连接以形成本实施例的升压电路后，各支路主要实现如下作用。

包含可控开关的第一支路，用于在正常工作状态下控制升压电路中各回路的通断，使所述电感l1对应地处于储存电能和释放电能的状态，从而完成升压过程，其具体工作情况将在下文中详述。本实施例中，所述第一可控开关q1和第二可控开关q2为各类晶体管，以通过电子信号快速且方便地控制器通断。

所述第二支路的第一端和第二端分别指向输入端和输出端，且其内两个二极管的公共点连接具有电容器件的所述第三支路，用以在相应的器件间形成电流的单向导通特性，防止电能反窜回输入端，造成电能损失。

所述第三支路中，第一电容c1作为飞跨电容，其用于在正常工作时储存和释放电能，同样起到对输入电压升压的作用。此外，由于第一电容c1和第二电容c2相当于并联于第一可控开关q1和第二可控开关q2的两端，因此其还具有对第一可控开关q1和第二可控开关q2控压的作用，下文将详述其工作原理。

所述第四支路则用于对第三支路中的第二电容c2建立放电回路。

以下参照图3-4，具体介绍本发明实施例1在上电和下电时的工作情况。

在图3中示出了升压电路在上电时的电流回路示意图，在上电时，第一可控开关q1和第二可控开关q2均处于关断状态，第一电容c1和第二电容c2的电压均为零，因此在升压电路中形成两个回路。其中，回路一为输入端通过电感l1、第一二极管d1、第一电容c1、第三二极管d3、第二电容c2为第一电容c1和第二电容c2进行充电，回路二为输入端通过电感l1、第一二极管d1、第二二极管d2为输出端的各输出电容进行充电。本实施例中，优选设置第一电容c1和第二电容c2的容值相同。因此，在一定时间后，第一电容c1和第二电容c2将分别被充电至输入电压的一半，同时输出端上的各电容的电压和为输入电压。由于第一可控开关q1两端的电压等于第一电容c1和第一二极管d1的电压和，第二可控开关q2两端的电压等于第二电容c2和第三二极管d3的电压和，因此其承受的电压均大约为输入电压的一半。从而，在对第一可控开关q1和第二可控开关q2进行选型时，基本只需采用耐压值稍高于输出电压的一半的器件，在本实施例的输入电压达到1500v的情况下，其耐压值大约为800-900v，符合器件选型的成本要求。

由于第一电容c1和第二电容c2在上电和正常工作状态中均储存有电能，因而在电路下电时还必须对其放电，因此在图4中示出了升压电路在下电时的电流回路示意图。值得说明的是，当电路下电时，输出端会通过其后级电路进行放电，当其放电至电压低于所述第一电容c1和第二电容c2的电压和时，第一电容c1和第二电容c2才开始对输出端进行放电。在图4中可以看出，所述第一电容c1通过第二二极管d2、第二可控开关q2对对输出端进行放电，所述第二电容c2通过第四二极管d4、第二二极管d2对输出端进行放电。

因此，本发明实施例在第三支路上设置第二电容c2，其在上电时与第一电容c1配合，分别充电至输入电压的一半，而两个可控开关可视为分别与第一电容c1和第二电容c2并联，因此其电压受相应电容两端电压的限制而处于安全范围内，解决了上电时飞跨电容上电压为零导致下臂开关管因过压而击穿失效的问题。此外，本发明实施例设置有第四支路，可在电路下电时为第二电容c2建立放电回路，提高电路运行的安全性和稳定性。

以下参照图5-8，具体介绍实施例1在正常工作状态下的工作情况。

首先说明的是，根据输入端的输入电压的值的不同，当其小于输出端所设定的电压值的一半时，升压电路工作于占空比＜0.5的情况；反之，当其大于输出端所设定的电压值的一半时，升压电路工作于占空比＞0.5的情况。当升压电路工作于占空比＜0.5的情况时，其会存在第一可控开关q1和第二可控开关q2均关断的状态，对应于图6。当升压电路工作于占空比＞0.5的情况时，其会存在第一可控开关q1和第二可控开关q2均导通的状态，对应于图8。

在图5中，示出了升压电路在正常工作状态下，且第一可控开关q1关断，第二可控开关q2导通时的电流回路示意图。其中先介绍回路一，即输入端通过电感l1、第一二极管d1、第一电容c1、第二可控开关q2对电感l1和第一电容c1进行充电，电感l1和第一电容c1储存能量，且第一电容c1的电压上升，电感l1两端的电压为输入电压和第一电容c1两端的电压差vpv-vc1。

在图6中，示出了升压电路在正常工作状态下，且第一可控开关q1关断，第二可控开关q2关断时的电流回路示意图。此时，由于电感l1内的电动势与输入电压的极性相反，因此输入电压与电感l1的反向电压叠加在一起将能量传递到输出端，电感l1两端的电压为vpv-vbus。

在图7中，示出了升压电路在正常工作状态下，且第一可控开关q1导通，第二可控开关q2关断时的电流回路示意图。此时，输入电压与电感l1反向电压、第一电容c1的电压叠加在一起，第二可控开关q2导通，能量传递到输出端，电感l1两端的电压为vpv+vc1-vbus。此时第一电容c1上的电压会下降，第二电容c2上的电压会升高。

在图8中，示出了升压电路在正常工作状态下，且第一可控开关q1导通，第二可控开关q2导通时的电流回路示意图。此时输入电压加载到电感l1上，电感l1处于储能状态。

从图5-图8中可以看到，无论是占空比＜0.5的情况还是占空比＞0.5的情况，均会出现图7所示的状态。而在图7中即存在第一电容c1上的电压下降，第二电容c2上的电压升高的情况，也即为上文所述的飞跨电容和分压电容的电压不平衡的现象。

然而，本发明实施例的第四支路上的第四二极管d4，其阴极连接至所述第一二极管d1和第二二极管d2的公共点，使得在图5中，还存在另一回路，即第二电容c2通过第四二极管d4向第一电容c1放电，以平衡二者间的电压。由于本实施例在该状态下，第一电容c1和第二电容c2的一端均连接至第二输入端，即其电位相同，均为vbus-，因此仅在当二者对应的另一端的电位差为第四二极管d4的压差时，第二电容c2才会停止向第一电容c1放电。此时，第一电容c1和第二电容c2基本达到平衡。本发明实施例在每一工作周期，均进行上述平衡和调整，即便每一周期均存在所述电压不平衡的现象，也能在图5所示的状态将其电压再次平衡，从而实现本发明的目的。

参照图9-10，本发明实施例2提供了一种升压电路的拓补结构。其相对于实施例1的区别在于还包括第五二极管d5；所述第五二极管d5的阳极连接所述第一输出电容和第二输出电容间的公共点，其阴极连接所述第一二极管d1和第二二极管d2间的公共点。此外，实施例2中，特别规定所述第一输出电容和第二输出电容的容值相同。

值得说明的是，本发明应用于光伏发电领域时，当形成集散式光伏发电系统时，可能存在当母线仍有电，而光伏组件pv1无电的情况，此时，母线电压将反灌至升压电路，导致第二二极管d2承受母线电压而被击穿。该实施例2即旨在解决上述问题。

图10中示出了实施例2在输入端无电，输出端有电时的电流回路示意图，可以看出，输入端，即母线会通过第五二极管d5使第一电容c1和第二电容c2分别充电至半母线电压，从而将第二二极管d2两端的电压钳位在半母线电压，并使第一二极管d1和第二二极管d2承受的电压基本均匀分布，从而保护第二二极管d2不被击穿。

此外，在实施例2中，由于第四二极管d4连接至所述第一二极管d1和第二二极管d2的公共点，即连接到而第五二极管d5的阴极，而第五二极管d5的阳极连接至所述第一输出电容和第二输出电容间的公共点，即其电位被钳位在半母线电压。因而使得第四二极管d4阴极端的最大电位为半母线电压，使得其在任何状态下均处于安全电压范围内，防止其被击穿。

从而，本发明实施例的升压电路，在上电、下电以及正常工作状态下，均能保证在常规成本下挑选的各器件能够安全、稳定且有效地工作。

以下通过实施例3到实施例7介绍上述升压电路的具体应用，当然，其具体的应用场景并不限于这些实施例。

参照图11，本发明实施例3提供了一种逆变装置，其包括前级电路和后级逆变电路。所述前级电路采用上述技术方案所述的升压电路。

所述升压电路用于将由其输入端输入的电压升压后从所述输出端输出，所述逆变电路的输入端耦合所述升压电路的输出端，用以将其输出的直流电逆变为交流电。

参照图12，本发明实施例4提供了一种光伏发电装置，其包括光伏组件、前级电路和后级电路；所述前级电路采用如上述技术方案所述的升压电路。

所述光伏组件耦合所述升压电路的输入端；所述升压电路用于将光伏组件的输出电压升压后由其输出端输出至后级电路。

参照图13-14，本发明实施例5-7提供了一种光伏发电系统。其包括多个光伏组件、多个前级电路和多个后级电路；所述前级电路采用如上述技术方案所述的升压电路。

所述光伏组件耦合所述升压电路的输入端；所述升压电路用于将光伏组件的输出电压升压后由其输出端输出至后级电路。

图13中，实施例5为组串式光伏发电系统，光伏组件与升压电路一一对应，光伏组件产生的电能经前级升压电路后作为后级电路的输入。图14中，实施例6为集散式光伏发电系统，光伏组件产生的电能经多个前级升压电路后，经母线汇流后作为后级电路的输入，即多个升压电路的输出端并联后连接至后级电路。

所述光伏发电系统的后级电路可连接直流电路或交流电路。当连接直流电路时，所述升压电路的输出端可连接直流电网，或者连接直流负载。当连接交流电路时，所述升压电路的输出端需通过逆变电路作为后级电路连接交流电网，或者连接交流负载，即为实施例7(未示出)。所述逆变电路的输入端耦合所述升压电路的输出端，用以将其输出的直流电逆变为交流电。

上述说明书和实施例的描述，用于解释本发明保护范围，但并不构成对本发明保护范围的限定。通过本发明或上述实施例的启示，本领域普通技术人员结合公知常识、本领域的普通技术知识和/或现有技术，通过合乎逻辑的分析、推理或有限的试验可以得到的对本发明实施例或其中一部分技术特征的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。