基于开关电容器分压网络的可扩展非隔离高升压比变换器的制作方法

本发明涉及通信，尤其涉及一种基于开关电容器分压网络的可扩展非隔离高升压比变换器。

背景技术：

1、传统能源的快速消耗导致了可再生能源开发的快速发展。使用可再生能源不仅有助于满足日益增长的能源需求，而且有助于提供一种高效、清洁和可持续的替代能源。

2、这些可再生能源(如太阳能光伏电池、燃料电池等)产生的母线电压很低，通常为12-24v。为了便于利用这些能量，需要提高输出电压，以便直接向本地负载供电或连接到微电网系统。典型的升压变换器拓扑在此场景下不再适用，因为为了获得所需的高电压增益，需要占空比较大，传统boost升压变换器在此情况下效率较低，并导致严重的二极管反向恢复问题、电磁干扰、传导损耗浪涌和开关管上的高电压应力。

3、变换器拓扑可以分为两种：隔离型和非隔离型高增益变换器。在隔离变流器中，采用变压器匝比来提高增益。电流隔离使其有利于高功率应用，但尺寸、成本和体积是其主要限制。漏感损耗和变压器铁芯饱和是其他约束条件。在非隔离变换器中，主要应用耦合电感、级联、开关电容器、开关电感、倍压整流单元等，但这些技术手段会增加较高的开关应力，增大变换器尺寸且电路结构更加复杂。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于开关电容器分压网络的可扩展非隔离高升压比变换器，用以解决现有非隔离变换器中的耦合电感、级联、开关电容器等会增加较高的开关应力，增大变换器尺寸且电路结构更加复杂的问题。

2、一方面，本发明实施例提供了一种基于开关电容器分压网络的可扩展非隔离高升压比变换器，包括：储能回路，包括储能电路和开关晶体管，其中，所述储能电路的第一端和第二端连接在所述开关晶体管的源极和漏极之间；升压电容器电路，包括串联连接的n个升压电容器，其中，所述升压电容器电路的第一端连接至所述开关晶体管的源极并且所述升压电容器电路的第二端连接至输出电容器电路的第一端；输出电容器电路，包括串联连接的n个输出电容器，其中，所述输出电容器电路的第二端连接至所述开关晶体管的漏极，并且所述输出电容器电路与负载并联连接；以及二极管电路，包括顺序串联连接的2n-1个二极管，其中，所述二极管电路与所述升压电容器电路并联连接，其中，n为大于等于2的整数。

3、上述技术方案的有益效果如下：施加在开关上的电压应力是输出电压的1/n，转换器可以在很大的占空比范围内产生高增益。仅使用一个开关晶体管具有成本效益，并且开关晶体管上的有限应力允许使用额定值较低的开关元器件，因此提高了效率。

4、基于上述装置的进一步改进，所述储能电路包括第一支路、第二支路和附加升压电容器，所述第一支路与所述第二支路在所述储能电路的第一端和第二端之间并联连接，其中，所述第一支路包括经由第一节点串联连接的第一二极管和第二电感器；所述第二支路包括经由第二节点串联连接的第一电感器和第二二极管；以及所述附加升压电容器连接在所述第一节点与所述第二节点之间。

5、基于上述装置的进一步改进，基于开关电容器分压网络的可扩展非隔离高升压比变换器还包括附加反偏二极管并且所述2n-1个二极管包括2n-2个反偏二极管和钳位二极管，其中，所述附加反偏二极管的阳极连接至所述升压电容器电路的第二端，并且其阴极连接至所述输出电容器电路的第一端；所述钳位二极管的阴极连接至串联连接的2n-2个反偏二极管的第一端，其阳极连接至所述开关晶体管的源极；以及所述2n-2个反偏二极管的第二端连接所述升压电容器电路的第二端，其中，所述n个升压电容器中的相邻两个输出电容器之间的连接节点与所述2n-1个二极管中每隔两个二极管之间的相应连接节点连接。

6、基于上述装置的进一步改进，基于开关电容器分压网络的可扩展非隔离高升压比变换器还包括直流电源，其中，所述n个输出电容器中的相邻两个输出电容器之间的连接节点与所述2n-2个反偏二极管中每隔两个反偏二极管之间的相应连接节点连接；所述直流电源连接在所述储能电路的第一端和所述开关晶体管的漏极之间。

7、基于上述装置的进一步改进，所述n个输出电容器包括第一输出电容器和所述第二输出电容器，其中，所述第一输出电容器的第一端连接至所述第二输出电容器的第一端；所述2n-1个二极管包括第一反偏二极管和所述钳位二极管，其中，所述第一反偏二极管的阴极与所述钳位二极管的阳极连接，所述第一输出电容器的第一端与所述第一反偏二极管的阳极连接。

8、基于上述装置的进一步改进，基于开关电容器分压网络的可扩展非隔离高升压比变换器包括：当第一电感器电流和第二电感器电流始终为正时，所述可扩展非隔离高升压比变换器在连续导通模式下运行；以及当所述第一电感器电流和第二电感器电流在所述开关晶体管的关断时间结束前在不连接导通模式下运行。

9、基于上述装置的进一步改进，所述连续导通模式包括第一连续工作模态和第二连续工作模态，其中，在所述第一连续工作模态下，所述开关晶体管处于导通状态；所述第一电感器、所述第二电感器和所述升压电容器通过所述第一二极管和所述第二二极管构成所述储能电路；所述第一电感器电流和所述第二电感器电流呈线性增长；所述钳位二极管和所述附加反偏二极管反偏；以及所述第一输出电容器通过所述第二二极管向所述升压电容器电路充电，并且所述输出电容器电路为负载供电。

10、基于上述装置的进一步改进，在所述第二连续工作模态下，所述开关晶体管处于断开状态；所述第一电感器电流和所述第二电感器电流呈线性减小；以及所述第一电感器、所述第二电感器、所述第一输出电容器和所述第二输出电容器为负载供电，所述第一二极管使所述开关晶体管的电压应力不超过输出电压的一半。

11、基于上述装置的进一步改进，所述不连续导通模式包括第一断续工作模态、第二断续工作模态和第三断续工作模态，其中，所述不连续导通模式中的第一断续工作模态与所述连续导通模式中的第一连续工作模态相同。

12、基于上述装置的进一步改进，在所述第二断续工作模态下，所述第二断续工作模态的持续时间为所述第一电感器电流和所述第二电感器电流开始下降至所述第一电感器电流和所述第二电感器电流下降至零为止；以及在所述第三断续工作模态下，输出电流在所述输出电容器电路和负载中流动，所述附加反偏二极管没有电流，所述第一电感器两端的电压和所述第二电感器两端的电压达到零。

13、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

14、1、施加在开关上的电压应力是输出电压的一半，转换器可以在很大的占空比范围内产生高增益。仅使用一个开关具有成本效益，并且开关上的有限应力允许使用额定值较低的开关元器件，因此提高了效率。

15、2、基于开关电容器分压网络的可扩展非隔离高升压比变换器具有最小相位特性，因为不存在右半平面零点(rhpz)。这改善了瞬态电压响应，并平滑了高带宽控制。提出的变换器在其所有极点位于左半平面(lhp)时是稳定的。

16、3、基于开关电容器分压网络的可扩展非隔离高升压比变换器具有连续、无脉动的输入电流、公共接地结构、高增益、易于控制和低维护要求以及低电磁干扰。

17、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。