一种高电压增益的多电平升压变换电路及变换器的制作方法

本实用新型属于微电网技术领域，涉及一种高电压增益的多电平升压变换电路及变换器。

背景技术：

在含有可再生能源及燃料电池的微电网系统中，由于可再生能源输出电压低，所以需要具有高电压增益的dc-dc升压转换器将可再生能源产生的电能输送至用电系统。传统升压变换器具有以下缺点：1、由于高压开关的需要，导致开关管导通损耗高；2、由于高占空比，二极管产生的反向恢复问题难以解决；3、由于半导体器件和无功元件的导通电阻或寄生电阻引起的变换器性能下降问题；4、理论上，电压增益是无穷大的，但实际上，电压增益是有限的；5、转换器效率低等缺点，这些缺点导致传统升压转换器无法满足高压微电网的运行控制要求，因此需要高增益的dc-dc变换器。

有学者提出利用电压倍增器2或其他技术实现更高电压增益的变换器，与现有的变换器相比，该变换器具有串联电容器叠加的优点，使用低压额定电容器器产生更高的电压，可以实现高压供电，但是电容器器的额定值随着输出电压的增加而增加，由此会增加电容器器数量及电路体积。还有学者提出了利用变压器和耦合电感器实现高电压增益的若干隔离转换器，但是这种转换器具有复杂性、变压器的铁芯饱和、存在电压尖峰等缺点，大量的绕组匝数在二次侧增加了变换器的成本，由于钳位技术被用来限制电压峰值，这也会增加元件的数量，增加电路结构复杂性。此外，在基于耦合电感器的结构中，当变换器的电压增益增加时，会产生较大的输入电流波动，所以需要额外的滤波器来平抑输入电流的波动。

综上所述，目前现有升压变换器存在电压增益低、电容器器额定电压高、所需元件数量多以及成本高的缺点。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述现有技术中现有升压变换器电压增益低、电容器器额定电压高、所需元件数量多以及成本高的缺点，提供一种高电压增益的多电平升压变换电路及变换器。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

本实用新型一方面，一种高电压增益的多电平升压变换电路，包括交错变换器前端单元和电压倍增器；交错变换器前端单元包括第一开关管、第二开关管、第一电感器和第二电感器；第一电感器的一端和第二电感器的一端均连接电压源正极，第一电感器的另一端连接第一开关管的漏极，第二电感器的另一端连接第二开关管的漏极，第一开关管的源极和第二开关管的源极均连接电压源负极；电压倍增器包括至少两个升压单元，其中一个升压单元的一端连接交错变换器前端单元，另一端依次并联其余升压单元；每个升压单元均包括串联的电容器和二极管，二极管负极与电容器负极连接；定义与交错变换器前端单元连接的升压单元为连接升压单元，连接升压单元二极管正极与第一电感器和第一开关管的连接线连接，连接升压单元的电容器正极与第二电感器和第二开关管的连接线连接；定义相邻两个升压单元中靠近交错变换器前端单元的一个为第一升压单元，另一个为第二升压单元；第一升压单元包括第一电容器和第一二极管，第二升压单元包括第二电容器和第二二极管，第二电容器和第二二极管串联后与第一二极管并联，第二电容器正极连接第一二极管正极，第二二极管正极连接第一二极管负极。

本实用新型高电压增益的多电平升压变换电路进一步的改进在于：

所述第一开关管和第二开关管均为mosfet开关管。

所述mosfet开关管为型号为mosfet-irf540n的功率开关管。

所述电压源为直流电压源，电压值为15v。

所述第一电感器和第二电感器的型号均为cd127，电感值均为15μh。

本实用新型另一方面，一种高电压增益的多电平升压变换器，包括电压传感器、dsp芯片、pwm控制器和上述的升压变换电路；电压传感器一端连接升压变换电路的电压倍增器，另一端依次连接dsp芯片和pwm控制器，pwm控制器上设置两个输出端，分别连接第一开关管的栅极和第二开关管的栅极。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型升压变换电路，通过设置交错变换器前端单元和电压倍增器，利用交错变换器前端单元减小输入电流纹波，再通过电压倍增器实现电压增益，基于电压倍增器内部设置的升压单元，升压单元的个数越多，电压倍增器的电压增益越高，在需要高的电压增益时，只需要增加升压单元的个数，电容器的额定电压不用随之增加，这样极大的减少电路的体积及成本，并且只需要一个电容器和一个二极管即可增加一个电平，方便扩展，整个升压变换电路的结构简单，便于实现，成本低。

本实用新型升压变换器，通过电压传感器、dsp芯片和pwm控制器实现升压变换电路中开关管的控制，技术成熟，便于实现，结构简单，成本低。

附图说明

图1为本实用新型实施例的升压变换电路拓扑图；

图2为本实用新型实施例第一种工作状态示意图；

图3为本实用新型实施例第二种工作状态示意图；

图4为本实用新型实施例第三种工作状态示意图；

图5为本实用新型实施例第四种工作状态示意图。

其中：1-交错变换器前端单元；2-电压倍增器；s1和s2为开关管；d1、d2、d3、d4、……和dn均为二极管；c1、c2、c3、……和cn均为电容器；l1和l2均为电感器；r1为电阻。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

参见图1，本实用新型高电压增益的多电平升压变换电路，包括交错变换器前端单元1和电压倍增器2。交错变换器前端结构1用于减少输入电流纹波；电压倍增器2的作用是用于扩展电压等级，增大电压增益。

具体的，交错变换器前端单元1包括第一开关管s1、第二开关管s2、第一电感器l1和第二电感器l2；第一电感器l1的一端和第二电感器l2的一端均连接电压源正极，第一电感器l1的另一端连接第一开关管s1的漏极，第二电感器l2的另一端连接第二开关管s2的漏极，第一开关管s1的源极和第二开关管s2的源极均连接电压源负极。

电压倍增器2包括至少两个升压单元，其中一个升压单元的一端连接交错变换器前端单元1，另一端依次并联其余升压单元；每个升压单元均包括串联的电容器和二极管，二极管负极与电容器负极连接；定义与交错变换器前端单元1连接的升压单元为连接升压单元，连接升压单元二极管正极与第一电感器l1和第一开关管s1的连接线连接，连接升压单元的电容器正极与第二电感器l2和第二开关管s2的连接线连接；本实用新型中定义相邻两个升压单元中靠近交错变换器前端单元1的一个为第一升压单元，另一个为第二升压单元，这里所说的靠近交错变换器前端单元1的意思是在连接关系上，即第二升压单元是通过第一升压单元连接交错变换器前端单元1的。第一升压单元包括第一电容器和第一二极管，第二升压单元包括第二电容器和第二二极管，第二电容器和第二二极管串联后与第一二极管并联，第二电容器正极连接第一二极管正极，第二二极管正极连接第一二极管负极。

其中，第一开关管和第二开关管均为mosfet开关管，选择型号为mosfet-irf540n的功率开关管；电压源为直流电压源，电压值为15v；第一电感器l1和第二电感器l2的电感值均为15μh，型号为cd127。

具体的，本实施例图1中示意性的给出了部分升压单元的具体连接关系，其余的升压单元按照上述连接方式依次连接。本实施例中采用电阻r1表示负载，示出升压变换电路的电压输出连接方式，输出电压为v2。

下面介绍本实用新型的原理及工作过程：

本实用新型高电压增益的多电平升压变换电路分为以下四种工作模式。

第一种工作模式：参见图2，第一开关管s1和第二开关管s2均开通，第一电感器l1和l2分别由输入电压v1，通过第一开关管s1和第二开关管s2充电，电容器c2+电容器c4+…+电容器cn给负载r1供电，输出电压v2。其中，开通的意思是说明开关管处于连通状态。

第二种工作模式：参见图3，第一开关管s1开通，第二开关管s2关闭，第一电感器l1通过第一开关管s1由输入电压v1充电，输入电压v1通过第二电感器l2和电容器c1通过二极管d2和第一开关管s1对电容器c2进行充电，电容器c3、电容器c5、电容器c7、…和电容器cn-1之间的电压分别通过二极管d4、二极管d6、二极管d8、…和二极管dn对电容器c4、电容器c6、电容器c8、…和电容器cn进行充电。同时，通过第二电感器l2和输入电压v1，电容器c3+电容器c5+电容器c7+…+电容器cn-1给负载r1供电，输出电压v2。其中，关闭的意思是说明开关管处于断开状态。

第三种工作模式：参见图4，第一开关管s1关闭，第二开关管s2开通，第二电感器l2通过第二开关管s2由输入电压v1充电，第一电感器l1和输入电压v1通过二极管d1和第二开关管s2对电容器c1进行充电，电容器c2、电容器c4、…和电容器cn-2的电压分别对电容器c3、电容器c5、电容器c7、…和电容器cn-1进行充电，分别通过二极管d3、二极管d5、二极管d7、…和二极管dn-1来实现，同时，电容器c2+电容器c4+…+电容器cn给负载r1供电，输出电压v2。

第四种工作模式：参见图5，第一开关管s1和第二开关管s2均关闭，通过第一电感器l1和第二电感器l2的电流突然降为零，由于所有二极管都承受反向电压，没有电流通路，电流通过电感器的斜率为零，当第一开关管s1和第二开关管s2工作在较小的占空比q时，即q<0.5，电压增益较小时，就会出现这种状态。

第一开关管s1和第二开关管s2在相同的占空比q下工作，以便以相同的电压(对称电压)给电容器充电，因此，我们认为这第一开关管s1和第二开关管s2工作在相同的占空比q。第一开关管s1和第二开关管s2互补导通，且两者占空比相等，设第一开关管s1和第二开关管s2的占空比分别为q1和q2，即q1＝q2＝q。q>0.5时，则升压变换电路工作在电流连续模式，且在第一种工作模式、第二种工作模式和第三种工作模式之间切换；q<0.5时，则升压变换电路工作在电流断续模式，且在第二种工作模式、第三种工作模式和第四种工作模式之间切换；q＝0.5时，则升压变换电路工作在电流连续模式，且在第一种工作模式和第二种工作模式之间切换。

本实用新型还公开了高电压增益的多电平升压变换器，包括电压传感器、dsp芯片、pwm控制器和上述的高电压增益的多电平升压变换电路；电压传感器一端连接电压倍增器2，用于检测输出电压v2的大小，电压传感器另一端依次连接dsp芯片和pwm控制器，pwm控制器上设置两个输出端，分别连接第一开关管的栅极和第二开关管的栅极。

交错变换器前端结构1用于减小输入电流纹波；电压倍增器2用来增大电压增益；电压传感器用于检测输出电压得到模拟电压信号，并将模拟电压信号发送至dsp芯片；dsp芯片用于将模拟电压信号转换为数字电压信号，得到控制电压信号并发送至pwm控制器；pwm控制器用于根据控制电压信号生成控制脉冲信号并发送交错变换器前端结构1的第一开关管s1和第二开关管s2，进行第一开关管s1和第二开关管s2的开通和关闭控制，具有较高的电压增益和最小的输入电流纹波，基于电压倍增器的多个升压单元的并连结构，随着电平数的增加，电容器的额定电压不会随之增加，减少装置体积及成本，并且只需要一个电容器和一个二极管即可增加一个电平，方便扩展。

以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。