一种光伏应用场景下基于三态开关单元概念的dc-dc升压变换器的制造方法
【专利说明】一种光伏应用场景下基于三态开关单元概念的DC-DC升压变换器
技术领域
[0001]本发明总体涉及功率转换，尤其涉及具有最大功率点跟踪(MPPT)的PV电源调节系统以及用于获取太阳能的超高效DC-DC PffM变换器。
【背景技术】
[0002]AC-DC和DC-DC变换器越来越朝着高效、高功率密度和低成本的趋势发展。由于PWMAC/DC和DC-DC变换器本身的特点以及很容易在主拓扑电路中添加软开关单元，使得实现高效率更加简单。此外，可以通过增加开关频率来降低无功分量的大小。
[0003]然而，在高电压以及高功率应用场景下，软开关Pmi变换器仍存在一定的缺陷，比如，加在开关两端的高电压和经过开关的高峰值电流会导致大量的功率损耗以及大量热沉。而且，由于无功分量以及适合高电压和高功率应用的半导体器件，传统的PWM变换器的效率更低且更难以优化。例如，硅(Si)技术正在被碳化硅(SiC)技术所取代，但这项技术如今仍然十分昂贵。然而，从实验室中的实际试验来看，碳化硅半导体在效率方面的表现并没有达到预期的效果。
[0004]带有有源和无源吸收电路的升压变换器是如今业内最广泛使用的一种光伏(PV)电源调节变换器，这种升压变换器容易获得，能够实现最大功率点跟踪(MPPT)且效率高。对于高电流、高功率应用，通常使用两个或两个以上变换器，并且将它们并联耦合在一起。这种拓扑结构在不同的文章有过论述，请参看，例如，参考文献一。
[0005]在处理高功率时，IGBT、MOSFET、JFET、JBT、二极管、GTO、MCT和其它半导体已被选择用来作为行业内的应用中的有源开关。然而，使用这些设备会随之引发许多限制效率和/或功率密度的问题。这些问题包括:
[0006].并联设备之间的电流共享。
[0007].整流损耗增加使得单元重量和尺寸增大，导致开关频率下降。
[0008]现有解决方案的另外一个缺点是电压电平过高且需要至少能够处理超过1.2千伏电压的高压半导体来满足PV系统的要求。这会使得性能下降，体积增大，变换器的效率大大降低。然而，现有的碳化硅技术能够解决这类问题，虽然其费用非常的昂贵。
[0009]随着半导体的数量越来越多(传导损耗降低)，在如今市场中的拓扑电路实现高效率成为可能。进一步地，降低开关频率(减少开关损耗)会增加无功分量的大小，进而增加功率密度。
[0010]也可以使用碳化硅半导体来替代硅基半导体，但这会增加变换器的成本。
[0011]进一步地，如果对变换器进行优化以实现高功率密度，那么效率会进一步降低。
[0012]在如今现有的解决方案中，要么选择优化效率要么选择优化高密度，但两者无法同时优化，而且不管选择哪种，与其对应的解决方案的成本都不低。
[0013]传统上，使用并联的变换器可以解决增加的DC功率的要求，但是由于上述问题，这并不是一个具有高效率、高功率密度以及低成本的最佳解决方案。
[0014]在此背景下，本发明旨在提供一种解决或者至少减少现有技术中的问题的超高效率DC-DC升压变换器。
【发明内容】
[0015]根据以上背景，本发明的目的在于提供一种尤其适用于PV发电系统的电力电子行业中要求高功率、高效率、高功率密度以及低成本的应用场景的拓扑电路，本拓扑电路也同样适用于其它要求高功率，高效，高密及低成本的应用场景。
[0016]为了克服上面提及的各种缺点，本发明提供了一种DC-DC升压变换器，由于以下特点，所述DC-DC升压变换器可以实现高效率、高功率密度和低成本:
[0017].简化实现PV系统的最大功率点跟踪(MPPT)。
[0018].避免使用高电压、高频率的碳化硅半导体。
[0019].交错执行变换器通过开关降低电流应力的特点和减少输入/输出滤波器的组件数量的特点。
[0020].简化无源吸收电路避免对主升压二极管使用碳化硅二极管。
[0021]?将电源开关以串联的方式分散，以降低电压应力进而减少损耗并避免使用碳化娃半导体。
[0022]?本发明提供的变换器使用三态开关单元，其操作功能使得该变换器精简且更加尚效。
[0023]?热量分布合理，可靠性增强。
[0024].半导体的变换器控制策略设计简单高效，也减少了损耗。
[0025]—个适用于高功率变换器设计的方法是使用多电平技术。
[0026]在输出电压较高时，为了降低电压应力，建议将半导体进行串联。为了降低电流应力，优先将半导体并联。为了提高效率，会使用串联的低压半导体，并且，优选地，将单个开关替换为电压均衡布置网络。其复杂程度随着开关数量的增加而增加。然而，相对于碳化硅半导体或模块，其成本更低。
[0027]使用标准硅半导体不仅可以提高效率，还可以简化驱动电路以及降低针对碳化硅技术而提供的驱动器的复杂度。
[0028]此外，这种离散方案也比半导体模块更便宜。
[0029]在传统的解决方案中，输入和输出的电流和电压波纹更高。因此，传统的解决方案需要更大的输入、输出滤波器，增加体积的同时也增加了成本。
[0030]由于半导体的电流应力降低以及单元内热量分布的改善，变换器的可靠性也有所提尚O
[0031]三态开关单元技术的概念已经应用到本发明的变换器中。如上所述，该技术的主要特点是能够通过减少损耗和避免碳化硅技术使用的复杂性和成本来实现高频率、高效率、高功率密度和低成本。
[0032]本发明另外一个重要的特点是通过分散开关来降低电压应力。两个开关之间串联，每个开关与其各自的电压均衡网络并联，以保证半导体的电压级联，从而采用低压设备来代替高压开关。
[0033]本发明提供的方案比可以通过如今的技术实现的替代方案具有很大优势。因此，本发明提供的电路能够实现超高的效率、高功率密度和低沉本的完美结合。
[0034]本发明基于三态开关单元技术在变换器中的应用提供了一种DC-DC升压变换器。如上所述，该技术的主要特点是能够通过减少损耗和避免碳化硅半导体使用的复杂性和成本来实现高频率、高效率、高功率密度和低成本。例如，所述三态开关单元的概念如参考文献二所述。根据图2所示的拓扑电路，从无序的输入到有序的输出，可以提高能量转换的性能。与所有传统的非隔离DC-DC PffM变换器相比，这些拓扑结构旨在高效率地实现高电流应用和高功率。
[0035]因此，本发明第一方面提供了一种光伏应用场景下的DC-DC升压变换器，所述DC-DC变换器包括:
[0036](i)输入端子，输出端子以及公共或接地端子；
[0037](ii)第一自耦变压器，包括中间端子以及第一、二线端端子；
[0038](iii)第一二极管，其一个端子与所述第一自耦变压器的第一线端端子耦合；
[0039](iv)第二二极管，其一个端子与所述第一自耦变压器的第二线端端子耦合;其中
[0040](V)所述二极管的第二端子与所述输出端子相连；
[0041](vi)所述输出端子通过滤波器与所述变换器的公共端子耦合；
[0042]提供了一种三态开关单元，包括四个端子和四个开关S1、S2、S3和S4，其中第一端子与第一开关SI相连，第二端子与第二开关S2相连，第三端子与第三开关S3相连，第四端子与第四开关相连，所述三态开关单元的第一端子与所述第一自耦变压器的第一线端端子相连，所述三态开关单元的第三端子与所述第一自耦变压器的第二线端端子相连，所述三态开关单元的第二、四端子与所述变换器的公共或接地端子相连。
[0043]根据本发明提供的DC-DC升压变换器的实施例，吸收电路连接在所述变换器的输入端子和输出端子之间，以使三态开关单元增加的