一种基于n级感性有源阻抗网络的升压电路及新能源系统

摘要

本发明公开了一种基于n级感性有源阻抗网络的升压电路及新能源系统，包括开关管、储能电容、续流二极管及n级感性有源阻抗网络，其中，n级感性有源阻抗网络包括一个第一级电感升压单元、n‑2个中间级电感升压单元及一个第n级电感升压单元，第一级电感升压单元包括第一电感、第n二极管和第2n‑1二极管，第k中间级电感升压单元包括第k‑1二极管、第k电感、第2n+k‑2二极管及第n+k‑1二极管，2≤k≤n‑1，第n级电感升压单元包括第n‑1二极管及第n电感。本申请使得在二极管的选型上选取耐流等级较低的二极管便可满足要求，一方面，降低了成本，另一方面，二极管的损耗小，提高了电路的效率。

权利要求

1.一种基于n级感性有源阻抗网络的升压电路，应用于新能源系统，所述新能源系统包括直流电源和负载，其特征在于，该升压电路包括开关管、储能电容、续流二极管及n级感性有源阻抗网络，n≥3，其中：所述n级感性有源阻抗网络的第一端与所述直流电源的正极连接，所述n级感性有源阻抗网络的第二端分别与所述续流二极管的阳极及所述开关管的第一端连接，所述续流二极管的阴极分别与所述储能电容的第一端及负载的一端连接，所述储能电容的第二端分别与所述负载的另一端、所述开关管的第二端及所述直流电源的负极连接；

所述n级感性有源阻抗网络包括一个第一级电感升压单元、n-2个中间级电感升压单元及一个第n级电感升压单元，所述第一级电感升压单元包括第一电感、第n二极管和第2n-1二极管，第k中间级电感升压单元包括第k-1二极管、第k电感、第2n+k-2二极管及第n+k-1二极管，2≤k≤n-1，所述第n级电感升压单元包括第n-1二极管及第n电感；所述第一电感的第一端分别与第一二极管的阳极、第二二极管的阳极直至第n-1二极管的阳极连接，其公共端作为所述n级感性有源阻抗网络的第一端，所述第一电感的第二端分别与所述第n二极管的阳极及所述第2n-1二极管的阳极连接，所述第2n-1二极管的阴极分别与第2n二极管的阴极、第2n+1二极管的阴极直至第3n-3二极管的阴极及第n电感的第一端连接，其公共端作为所述n级感性有源阻抗网络的第二端，所述第n二极管的阴极与所述第一二极管的阴极连接，所述第k-1二极管的阴极与第k电感的第一端连接，所述第k电感的第二端分别与所述第

2n+k-2二极管的阳极及第n+k-1二极管的阳极连接，第n+k-1二极管的阴极与第k二极管的阴极连接；所述第n-1二极管的阴极与所述第n电感的第二端连接。

2.如权利要求1所述的基于n级感性有源阻抗网络的升压电路，其特征在于，第一电感的电感值、第二电感的电感值直至第n电感的电感值均相等；

则所述升压电路的增益为 其中，D为开关管的占空比，Vs为所述直流

电源的电压，Vout为所述升压电路的输出电压。

3.如权利要求1或2所述的基于n级感性有源阻抗网络的升压电路，其特征在于，所述开关管均为NMOS，所述NMOS的漏极作为所述开关管的第一端，所述NMOS的源极作为所述开关管的第二端。

4.根据权利要求1或2所述的基于n级感性有源阻抗网络的升压电路，其特征在于，所述开关管均为IGBT，所述IGBT的集电极作为所述开关管的第一端，所述IGBT的发射极作为所述开关管的第二端。

5.一种新能源系统，包括直流电源和负载，其特征在于，还包括如权利要求1-4任一项所述的基于n级感性有源阻抗网络的升压电路。

6.根据权利要求5所述的新能源系统，其特征在于，所述直流电源为太阳电池板。

说明书

一种基于n级感性有源阻抗网络的升压电路及新能源系统

技术领域

[0001] 本发明涉及升压技术领域，特别是涉及一种基于n级感性有源阻抗网络的升压电路及新能源系统。

背景技术

[0002] 随着电力系统的发展，越来越多的新能源系统接入到电网中，新能源系统尤其是光伏、燃料电池等系统对电力电子技术的要求也越来越高。由于光伏、燃料电池单元有着电压低的特点，往往需要很高增益的DC-DC变换器抬升电压后才能并入电网使用。

[0003] 现有技术中采用的高增益的DC-DC变换器往往使用级联型DC-DC变换器或者DC-AC变换器，具体地如图1和图2所示，图1为现有技术中的一种n级感性有源阻抗网络的结构示意图，图2为采用图1中的有源阻抗网络的Boost电路的结构示意图。当开关开通时，请参照图3，图3为图2所示的Boost电路的工作波形图，可见，除去第n-1二极管和第2n-1二极管，该电路中其他的二极管都承受着多个电感电流的累计，电流大小从2iL-(n-1)iL不等，从而使得在二极管的选型上需要选耐流等级比较高的二极管，一方面，成本高，另一方面，这些二极管的损耗也比较大，降低了电路的效率。

[0004] 因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种基于n级感性有源阻抗网络的升压电路及新能源系统，一方面，降低了成本，另一方面，二极管的损耗小，提高了电路的效率。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于n级感性有源阻抗网络的升压电路，应用于新能源系统，所述新能源系统包括直流电源和负载，该升压电路包括开关管、储能电容、续流二极管及n级感性有源阻抗网络，n≥3，其中：

[0007] 所述n级感性有源阻抗网络的第一端与所述直流电源的正极连接，所述n级感性有源阻抗网络的第二端分别与所述续流二极管的阳极及所述开关管的第一端连接，所述续流二极管的阴极分别与所述储能电容的第一端及负载的一端连接，所述储能电容的第二端分别与所述负载的另一端、所述开关管的第二端及所述直流电源的负极连接；

[0008] 所述n级感性有源阻抗网络包括一个第一级电感升压单元、n-2个中间级电感升压单元及一个第n级电感升压单元，所述第一级电感升压单元包括第一电感、第n二极管和第2n-1二极管，第k中间级电感升压单元包括第k-1二极管、第k电感、第2n+k-2二极管及第n+k-1二极管，2≤k≤n-1，所述第n级电感升压单元包括第n-1二极管及第n电感；所述第一电感的第一端分别与第一二极管的阳极、第二二极管的阳极直至第n-1二极管的阳极连接，其公共端作为所述n级感性有源阻抗网络的第一端，所述第一电感的第二端分别与所述第n二极管的阳极及所述第2n-1二极管的阳极连接，所述第2n-1二极管的阴极分别与第2n二极管的阴极、第2n+1二极管的阴极直至第3n-3二极管的阴极及第n电感的第一端连接，其公共端作为所述n级感性有源阻抗网络的第二端，所述第n二极管的阴极与所述第一二极管的阴极连接，所述第k-1二极管的阴极与第k电感的第一端连接，所述第k电感的第二端分别与所述第2n+k-2二极管的阳极及第n+k-1二极管的阳极连接，第n+k-1二极管的阴极与第k二极管的阴极连接；所述第n-1二极管的阴极与所述第n电感的第二端连接。

[0009] 优选地，第一电感的电感值、第二电感的电感值直至第n电感的电感值均相等；

[0010] 则所述升压电路的增益为 其中，D为开关管的占空比，Vs为所述直流电源的电压，Vout为所述升压电路的输出电压。

[0011] 优选地，所述开关管均为NMOS，所述NMOS的漏极作为所述开关管的第一端，所述NMOS的源极作为所述开关管的第二端。

[0012] 优选地，所述开关管均为IGBT，所述IGBT的集电极作为所述开关管的第一端，所述IGBT的发射极作为所述开关管的第二端。

[0013] 为解决上述技术问题，本发明还提供了一种新能源系统，包括直流电源和负载，还包括如上述所述的基于n级感性有源阻抗网络的升压电路。

[0014] 优选地，所述直流电源为太阳电池板。

[0015] 本发明提供了一种基于n级感性有源阻抗网络的升压电路及新能源系统，包括开关管、储能电容、续流二极管及n级感性有源阻抗网络，n≥3，其中，n级感性有源阻抗网络的第一端与直流电源的正极连接，n级感性有源阻抗网络的第二端分别与续流二极管的阳极及开关管的第一端连接，续流二极管的阴极分别与储能电容的第一端及负载的一端连接，储能电容的第二端分别与负载的另一端、开关管的第二端及直流电源的负极连接；n级感性有源阻抗网络包括一个第一级电感升压单元、n-2个中间级电感升压单元及一个第n级电感升压单元，第一级电感升压单元包括第一电感、第n二极管和第2n-1二极管，第k中间级电感升压单元包括第k-1二极管、第k电感、第2n+k-2二极管及第n+k-1二极管，2≤k≤n-1，第n级电感升压单元包括第n-1二极管及第n电感。

[0016] 本申请提供了一种具有全新结构的基于n级感性有源阻抗网络的升压电路，其结构也决定了其与现有技术中的升压电压的不同的工作过程，与现有技术相比，还降低了2n-4个二极管的电流应力，从而使得在二极管的选型上选取耐流等级较低的二极管便可满足要求，一方面，降低了成本，另一方面，二极管的损耗小，提高了电路的效率。

附图说明

[0017] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。

[0018] 图1为现有技术中的一种n级感性有源阻抗网络的结构示意图；

[0019] 图2为采用图1中的有源阻抗网络的Boost电路的结构示意图；

[0020] 图3为图2所示的Boost电路的工作波形图；

[0021] 图4为本发明提供的一种基于n级感性有源阻抗网络的升压电路的结构示意图；

[0022] 图5为本发明提供的一种基于4级感性有源阻抗网络的升压电路的结构示意图；

[0023] 图6为开关管开通时，图4所示的升压电路的工作原理图；

[0024] 图7为开关管关断时，图4所示的升压电路的工作原理图；

[0025] 图8为图4所示的升压电路的工作波形图。

具体实施方式

[0026] 本发明的核心是提供一种基于n级感性有源阻抗网络的升压电路及新能源系统，一方面，降低了成本，另一方面，二极管的损耗小，提高了电路的效率。

[0027] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，都属于本发明保护的范围。

[0028] 请参照图4和图5，其中，图4为本发明提供的一种基于n级感性有源阻抗网络的升压电路的结构示意图，图5为本发明提供的一种基于4级感性有源阻抗网络的升压电路的结构示意图；该升压电路应用于新能源系统，新能源系统包括直流电源Vs和负载R，该升压电路包括开关管Q、储能电容C、续流二极管D3n-2及n级感性有源阻抗网络，n≥3，其中：

[0029] n级感性有源阻抗网络的第一端与直流电源Vs的正极连接，n级感性有源阻抗网络的第二端分别与续流二极管D3n-2的阳极及开关管Q的第一端连接，续流二极管D3n-2的阴极分别与储能电容C的第一端及负载R的一端连接，储能电容C的第二端分别与负载R的另一端、开关管Q的第二端及直流电源Vs的负极连接；

[0030] n级感性有源阻抗网络包括一个第一级电感升压单元、n-2个中间级电感升压单元及一个第n级电感升压单元，第一级电感升压单元包括第一电感L1、第n二极管Dn和第2n-1二极管D2n-1，第k中间级电感升压单元包括第k-1二极管Dk-1、第k电感Lk、第2n+k-2二极管D2n+k-2及第n+k-1二极管Dn+k-1，2≤k≤n-1，第n级电感升压单元包括第n-1二极管Dn-1及第n电感Ln；第一电感L1的第一端分别与第一二极管D1的阳极、第二二极管的阳极直至第n-1二极管Dn-1的阳极连接，其公共端作为n级感性有源阻抗网络的第一端，第一电感L1的第二端分别与第n二极管Dn的阳极及第2n-1二极管D2n-1的阳极连接，第2n-1二极管D2n-1的阴极分别与第2n二极管D2n的阴极、第2n+1二极管D2n+1的阴极直至第3n-3二极管D3n-3的阴极及第n电感Ln的第一端连接，其公共端作为n级感性有源阻抗网络的第二端，第n二极管Dn的阴极与第一二极管D1的阴极连接，第k-1二极管Dk-1的阴极与第k电感Lk的第一端连接，第k电感Lk的第二端分别与第2n+k-2二极管D2n+k-2的阳极及第n+k-1二极管Dn+k-1的阳极连接，第n+k-1二极管Dn+k-1的阴极与第k二极管Dk的阴极连接；第n-1二极管Dn-1的阴极与第n电感Ln的第二端连接。

[0031] 具体地，对于本申请提供的基于n级感性有源阻抗网络的升压电路，不同于传统的电路结构也决定了其不同于传统电路的工作过程，请参照图6和图7，其中，图6为开关管开通时，图4所示的升压电路的工作原理图，图7为开关管关断时，图4所示的升压电路的工作原理图；下面结合本申请中提供的升压电路的结构来对其工作过程来作介绍：

[0032] 具体地，当开关管Q开通时，第一级电感升压单元中的第2n-1二极管D2n-1、中间级电感升压单元中的第k-1二极管Dk-1和第2n+k-2二极管D2n+k-2、第n级电感升压单元中的第n-1二极管Dn-1导通，第一级电感升压单元中的第n二极管Dn、中间级电感升压单元中的第n+k-
1二极管Dn+k-1和续流二极管D3n-2关断。第一级电感升压单元中第一电感L1通过Vs-L1-D2n-1-Q通路充电，第一电感L1电流线性增加，中间级电感升压单元中第k电感通过Vs-Dk-1-Lk-D2n+k-2-Q通路充电，第k电感的电流线性增加，第n级电感升压单元中的第n电感Ln通过Vs-Dn-1-Ln-Q通路充电，第n电感Ln的电流线性增加，每一级升压单元中导通的二极管只需承受该级电感电流，电流应力仅为总电流的1/n，此时，储能电容C为负载R提供能量。若电感取值L1＝···＝Lk＝···＝Ln，则电感电流 则第一级电感升压单元中的第2n-1二
极管D2n-1、中间级电感升压单元中的第k-1二极管Dk-1和第2n+k-2二极管D2n+k-2、第n级电感升压单元中的第n-1二极管Dn-1导通的电流
第一级电感升压单元中的第n二极管Dn、中间级电感升压单元中的第n+k-1二极管Dn+k-1的电流

[0033] 当开关管Q关断时，第一级电感升压单元中的第n二极管Dn、中间级电感升压单元中的第n+k-1二极管Dn+k-1及续流二极管D3n-2导通，第一级电感升压单元中的第2n-1二极管D2n-1、中间级电感升压单元中的第k-1二极管Dk-1和第2n+k-2二极管D2n+k-2、第n级电感升压单元中的第n-1二极管Dn-1关断。每一级电感升压单元中的电感都通过Vs-L1-Dn-…-Lk-Dn+k-1-…-Ln-D3n-2-C//R通路放电，并向负载R提供能量，电感L1…、Lk、…、Ln的电流线性减小。若电感取值L1＝···＝Lk＝···＝Ln，则电感电流 则第一级电感升压单元中的第2n-1二极管D2n-1、中间级电感升压单元中的第k-1二极管Dk-1和第
2n+k-2二极管D2n+k-2、第n级电感升压单元中的第n-1二极管Dn-1的电流
第一级电感升压单元中的
第n二极管Dn、中间级电感升压单元中的第n+k-1二极管Dn+k-1的电流

[0034] 具体地，请参照图8，图8为图4所示的升压电路的工作波形图。可见，与传统的升压电路中除第n-1二极管Dn-1和第2n-1二极管D2n-1只承受一个电感电流相比，本申请中在保证高增益的同时，在开关管Q导通时，还额外降低了3n-3-(n-1)-2＝2n-4个二极管的电流应力，从而使得本申请中的升压电路在选取二极管时，选取耐流等级较低的二极管便可满足要求，一方面，降低了成本，另一方面，二极管的损耗小，提高了电路的效率，具有较强的实用性和经济性。

[0035] 本申请提供了一种具有全新结构的基于n级感性有源阻抗网络的升压电路，其结构也决定了其与现有技术中的升压电压的不同的工作过程，与现有技术相比，还降低了2n-4个二极管的电流应力，从而使得在二极管的选型上选取耐流等级较低的二极管便可满足要求，一方面，降低了成本，另一方面，二极管的损耗小，提高了电路的效率。

[0036] 作为一种优选地实施例，第一电感L1的电感值、第二电感的电感值直至第n电感Ln的电感值均相等；

[0037] 则升压电路的增益为 其中，D为开关管Q的占空比，Vs为所述直流电源的电压，Vout为所述升压电路的输出电压。

[0038] 具体地，本申请对于电感的取值并不做特别的限定，根据实际情况来定。

[0039] 当L1＝···＝Lk＝···＝Ln时，这里假设开关管Q的占空比为D。在一个周期内，升压电路的输出电压为Vout，得出以下的电压增益推导过程：

[0040] 开关Q开通时，每一级电感升压单元中的电感电流线性增加，且加在每一级电感两端的电压为：

[0041] 开关Q关断时，每一级电感升压单元中的电感电流线性减小，且加在每一级电感两端的电压为：

[0042] 对于电感L1、L2、···、Ln，由“伏秒平衡”定理可得：

[0043]

[0044] 即：

[0045] nVs×DT+(Vs-Vout)×(1-D)T＝0

[0046] 解得：

[0047]

[0048] 作为一种优选地实施例，开关管Q均为NMOS，NMOS的漏极作为开关管Q的第一端，NMOS的源极作为开关管Q的第二端。

[0049] 作为一种优选地实施例，开关管Q均为IGBT，IGBT的集电极作为开关管Q的第一端，IGBT的发射极作为开关管Q的第二端。

[0050] 具体地，在实际应用中，如果升压中的电流很大，这里的开关管Q还可以为由多个NMOS并联的NMOS模块，或者为由多个IGBT并联的IGBT模块。

[0051] 另外，这里的开关管Q还可以选择其他类型的开关管，本申请在此不做特别的限定，根据实际情况来定。

[0052] 本发明还提供了一种新能源系统，包括直流电源和负载，还包括如上述的基于n级感性有源阻抗网络的升压电路。

[0053] 作为一种优选地实施例，直流电源为太阳电池板。

[0054] 另外，这里的直流电源还可以为其他类型的直流电源，例如燃料电池等，本申请在此不做特别的限定。

[0055] 另外，对于本申请提供的一种新能源系统的介绍请参照上述实施例，本申请在此不再赘述。

[0056] 需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

[0057] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。