基于二极管正钳位的高增益直流升压变换器

摘要

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及基于二极管正钳位的高增益直流升压变换器，包括有源网络、二极管正钳位网络和稳压电容；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；二极管正钳位网络，包括两个二极管串联，两二极管之间包括一个电容形成三端网络；稳压电容和二极管正钳位网络中两二极管并联，并和负载并联。该变换器体积小；规避基于耦合电感设计的直流变换器中的漏感问题，具有电路控制策略简单，电压增益较高，电感电流应力和开关管电压应力较小等优点。

权利要求

1.基于二极管正钳位的高增益直流升压变换器，其特征在于，其拓扑单元包括有源网络、二极管正钳位网络和稳压电容；

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；

所述二极管正钳位网络，包括两个二极管串联，两二极管之间包括一个电容形成三端网络；

所述稳压电容和二极管正钳位网络中两二极管并联，并和负载并联；

其拓扑单元包括开关管S1、开关管S2、二极管D1、二极管D2；电感L2的上端和开关管S2的上端相连，直接接输入直流电源的正极；开关管S1上端和电感L2下端相连：电感L1上端和开关管S2下端相连；开关管S1和电感L1的下端直接与输入直流电的负极相接；电容C1的左端和开关管S1的上端相连，电容C1的右端分别和二极管D1的左端、二极管D2的上端相连；二极管D2的下端分别和开关管S2的下端、电容C2的下端相连，二极管D2的正极与稳压电容C2的负极相连；二极管D1的左端和电容C2的上端相连，负载和电容C2并联。

2.根据权利要求1所述的基于二极管正钳位的高增益直流升压变换器，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；

开关管S1和开关管S2采用相同PWM波控制信号，进行同步控制；

第一工作模态：电源电压直接分别加载在电感L1、电感L2和电容C1上，分别给电感L1、电感L2和电容C1充电，此刻电感L1、电感L2和电容C1两端的电压UL1、UL2、UC1等于电源电压,电感L1、电感L2的电流IL1、IL2成线性增长；

第二工作模态：电容C1两端的电压UC1和电感L1、电感L2的感应电动势UL1、UL2、外加电源电压相互串联给负载和电容C2供电；

第三工作模态：电感L1、电感L2的电流IL1、IL2断续为零，由电容C2给负载供电。

说明书

基于二极管正钳位的高增益直流升压变换器

技术领域

[0001] 本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及基于二极管正钳位的高增益直流升压变换器。

背景技术

[0002] 由于化石能源的不可再生性以及一次能源使用后给环境所带来的严重污染等问题的日益突出，就如何获取新型的、无污染的可再生能源成为一个研究重要课题。常见的光伏发电系统由光伏阵列、最大功率点跟踪(MPPT)、直流升压电路和并网逆变器组成。由于光伏电池模块输出的直流电压幅值一般较低，通常在28V-40V之间，但是人们常用的并网逆变器的直流母线输入电压一般要求达到为380V，这就对光伏系统中的直流升压电路提出了必须具有高增益的能力。传统直流升压BOOST电路，在理论其电压增益可以达到无限大。但在实际工业应用中，当BOOST电路占空比过大时，其会引发一些列系统不稳定的问题，这包括会导致其输入输出电流和电感电流纹波变大，亦会导致开关管的峰值电流过大，从而引起过大的能量损耗，影响变换器工作效率，甚至烧毁器件。这时传统的直流升压BOOST电路就表现出了它的不足。因此促使后面的研究者设计创新了一系列的高增益直流升压变换器，以此去满足光伏系统中对高增益变换器的要求。

[0003] 在所有现有的高增益直流变换器中，由于引入高频变压器以实现高增益的隔离型直流升压变换器，在系统体积和能量转移效率上较非隔离型直流升压变换器上有很多的缺陷，导致了非隔离型变换器成为了现今诸多学者研究的重点。如今虽然基于耦合电感设计出来的直流升压变换器也实现了高增益，但其拓扑结构中漏感的不可避免性，加之其随着电感匝数比的增加，其开关管的电压应力亦同步增加，导致其也不能满足工业上的诸多要求。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于满足光伏发电系统中直流升压电路要求的控制策略简单，增益高，能避免装置体积过大导致的安装不便，能解决传统基于耦合电感设计的高增益变换器漏磁等问题。

[0005] 本发明的技术方案为：

[0006] 基于二极管正钳位的高增益直流升压变换器，其拓扑单元包括有源网络、二极管正钳位网络和稳压电容；

[0007] 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；

[0008] 所述二极管正钳位网络，包括两个二极管串联，两二极管之间包括一个电容形成三端网络；

[0009] 所述稳压电容和二极管正钳位网络中两二极管并联，并和负载并联。

[0010] 具体的结构为，其拓扑单元包括开关管S1、开关管S2、二极管D1、二极管D2；电感L2的上端和开关管S2的上端相连，直接接输入直流电源的正极；开关管S1上端和电感L2下端相连：电感L1上端和开关管S2下端相连；开关管S1和电感L1的下端直接与输入直流电的负极相接；电容C1的左端和开关管S1的上端相连，电容C1的右端分别和二极管D1的左端、二极管D2的上端相连；二极管D2的下端分别和开关管S2的下端、电容C2的下端相连；二极管D1的左端和电容C2的上端相连，负载和电容C2并联。

[0011] 该基于二极管正钳位的高增益直流升压变换器，包括三个工作模态分别为：

[0012] 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；

[0013] 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；

[0014] 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；

[0015] 开关管S1和开关管S2采用相同PWM波控制信号，进行同步控制；

[0016] 第一工作模态：电源电压直接分别加载在电感L1、电感L2和电容C1上，分别给电感L1、电感L2和电容C1充电，此刻电感L1、电感L2和电容C1两端的电压UL1、UL2、UC1等于电源电压,电感L1、电感L2的电流IL1、IL2成线性增长；

[0017] 第二工作模态：电容C1两端的电压UC1和电感L1、电感L2的感应电动势UL1、UL2、外加电源电压相互串联给负载和电容C2供电；

[0018] 第三工作模态：电感L1、电感L2的电流IL1、IL2断续为零，由电容C2给负载供电。

[0019] 本发明提供的基于二极管正钳位的高增益直流升压变换器，能有效避免传统隔离型直流升压变换器中引入高频变压器，导致其在能量转移效率低和系统体积大等缺点；亦能有效规避基于耦合电感设计的直流变换器中的漏感问题。本该拓扑结构由一个有源网络外加一个二极管正钳位电路组合变形设计而来，具有电路控制策略简单，电压增益较高，电感电流应力和开关管电压应力较小等优点，在工业运用中具有很好地实用价值。

附图说明

[0020] 为了更清楚地阐述此基于二极管正钳位的高增益直流升压变换器的工作原理和工作模式，现对其各开关管的开断组合、其拓扑中主要元器件的各种电压电流信号、其拓扑结构中各种工作模式下的等效电路做附图介绍：

[0021] 图1为本发明的拓扑电路图；

[0022] 图2为本发明元器件上电流、电压的波形信号图；

[0023] 图3为本发明在第一工作模态下的等效电路图；

[0024] 图4为本发明在第二工作模态下的等效电路图；

[0025] 图5为本发明在第三工作模态下的等效电路图。

具体实施方式

[0026] 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。

[0027] 实施例1

[0028] 如图1，基于二极管正钳位的高增益直流升压变换器拓扑结构的连接方式。其中电感L2的上端和开关管S2的上端相连，直接接输入直流电源的正极；开关管S1上端和电感L2下端相连：电感L1上端和开关管S2下端相连；开关管S1和电感L1的下端直接与输入直流电的负极相接；电容C1的左端和开关管S1的上端相连，右端和二极管D1的左端、二极管D2的上端相连；二极管D2的下端和开关管S2的下端、电容C2的下端相连；二极管D1的左端和电容C2的上端相连，负载和电容C2并联。其开关管S1和开关管S2采用相同PWM波控制信号，进行同步控制。

[0029] 如表1，其工作模态序号1、2示出了本基于二极管正钳位的新型高增益直流升压变换器在电感电流连续(CCM)模式下的开关管开断状态表图。在CCM模式下该新型变换器对应的两种开关管开断状态为：

[0030] 表1三种工作模态下的开关管开断状态表

[0031]

[0032] 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；

[0033] 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；

[0034] 如图2a，基于二极管正钳位的高增益直流升压变换器工作在CCM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S1和S2的控制信号，IL1和IL2分别为流过电感器L1和L2的电流，UL1和UL2分别为电感器L1和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。

[0035] 如图3，此时电源电压直接分别加载在电感L1、L2和电容C1上，分别给电感L1、电感L2和电容C1充电，此刻电感L1、电感L2和电容C1两端的电压UL1、UL2、UC1等于电源电压,电感L1、电感L2的电流IL1、IL2成线性增长；

[0036] 如图4，此时电容C1两端的电压UC1和电感L1、电感L2的感应电动势UL1、UL2、外加电源电压相互串联给负载和电容C2供电。

[0037] 实施例2

[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] 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。

[0041] 如图2b，基于二极管正钳位的高增益直流升压变换器工作在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S1和S2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分别为加载在电容器C1和二极管D2两端的电压，ID1是流过二极管D1的电流。

[0042] 如图3，此时电源电压直接分别加载在电感L1、电感L2和电容C1上，分别给电感L1、电感L2和电容C1充电，此刻电感L1、电感L2和电容C1两端的电压UL1、UL2、UC1等于电源电压,电感L1、电感L2的电流IL1、IL2成线性增长；

[0043] 如图4，此时电容C1两端的电压UC1和电感L1、电感L2的感应电动势UL1、UL2、外加电源电压相互串联给负载和电容C2供电。

[0044] 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，由电容C2给负载供电。

[0045] 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供的一种基于二极管正钳位的新型高增益直流升压变换器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解发明的方法及其核心思想。