專利名稱：高升壓變比直流-直流變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種高升壓變比直流-直流變換器及其控制方法，屬電力電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著全球一次性能源的逐漸枯竭，人類開始積極尋求可再生能源的開發(fā)和利用， 因此采用太陽能和燃料電池等清潔可再生能源進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電，越來越受到人們的廣泛關(guān)注，其相關(guān)應(yīng)用技術(shù)的研究也非常重要。由于受到環(huán)境，溫度等因素的影響，這些可再生能源的輸出電壓通常波動較大，而且單體的電壓等級較低，所以目前的太陽能光伏電池或燃料電池并網(wǎng)發(fā)電裝置一般采用兩級式結(jié)構(gòu)。為了將光伏或燃料電池陣列的電壓提升到并網(wǎng)逆變器所需直流母線電壓，通常采用BOOST或兩相交錯并聯(lián)BOOST電路作為前級變換器， 這兩種結(jié)構(gòu)變換器的升壓變比相等，當(dāng)輸入電壓較低時，為了達(dá)到較高的輸出電壓，其開關(guān)導(dǎo)通占空比就會接近于1，這樣一方面會降低變換器的效率，同時開關(guān)頻率也不易進(jìn)一步提高。為了達(dá)到更高的升壓變比，也有文獻(xiàn)提出將兩個BOOST升壓變換器串聯(lián)作為前級變換器，這樣增加了系統(tǒng)的級數(shù)和控制的復(fù)雜性，不利于系統(tǒng)效率的提高和性能的改善，因此研究新型高性能且具有更大升壓變比的直流-直流變換器來滿足后級并網(wǎng)逆變器的需要，有著重要的理論意義和應(yīng)用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提出一種高升壓變比直流-直流變換器及其控制方法，同時能有效減小輸入電流和輸出電壓的紋波，提高了變換器的性能。該變換器既適用于常規(guī)直流-直流變換器應(yīng)用范圍，又適用于燃料電池、太陽能光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等新能源發(fā)電系統(tǒng)。本發(fā)明所述的高變壓比直流-直流變換器如附圖1所示，其特征在于1)主要包括一個直流輸入電源(Vin)、兩個升壓電感(Li、L2)、兩個功率開關(guān)管 (T1、T2)、四個單向整流二極管(D1、D2、D3、D4)、兩個中間儲能電容(C1、C2)、一個輸出濾波電容(C3)、濾波電容(C3)兩端引出一個輸出端。其中(L1、T1、D1)組成一個四端網(wǎng)絡(luò)(1)， 具體為(T1)的漏極與(Dl)的陽極相連，同時(Tl)的漏極與電感(Li)的一端相連，再從 (Tl)的漏極引出一條支路接儲能電容(Cl)的一端，這樣(Li)的另一端、(Dl)的陰極、(Tl) 的源極，和從(Tl)的漏極引出的一條支路組成四個端子分別對應(yīng)為端子①、②、③、④；其中(L2、Τ2、D2)組成另一個四端網(wǎng)絡(luò)0)，具體為(Τ2)的漏極與(D2)的陽極相連，同時 (Τ2)的漏極與電感(L2)的一端相連，再從(Τ2)的漏極引出一條支路接儲能電容(C2)的一端，這樣(L2)的另一端、(D2)的陰極、(Τ2)的源極，和從(Τ2)的漏極引出的另一條支路組成另外四個端子分別對應(yīng)為⑤、⑥、⑦、⑧；把兩個四端網(wǎng)絡(luò)的端子①和端子⑤相連后接到輸入電源(Vin)的正極；把兩個四端網(wǎng)絡(luò)的端子③和端子⑦相連后接到輸入電源(Vin) 的負(fù)極沖間儲能電容(Cl)的一端與四端網(wǎng)絡(luò)⑴的端子④相連，儲能電容(Cl)的另一端與四端網(wǎng)絡(luò)⑵的端子⑥相連，再與D4的陽極相連；儲能電容(C2)的一端與四端網(wǎng)絡(luò)(2) 的端子⑧相連，儲能電容(C2)的另一端與四端網(wǎng)絡(luò)(1)的端子②相連，再與(D3)的陽極相連；把(D3)和(D4)的陰極相連，再與(C3)的一端連接；把(C3)的另一端與輸入電源的負(fù)極連接；從(O)的兩端引出輸出端接負(fù)載。2)本發(fā)明的變換器采用開關(guān)管(Tl)和(1 完全互補(bǔ)的方法進(jìn)行控制，控制方法簡單，易于實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)的BOOST變換器和兩相交錯并聯(lián)BOOST變換器相比，本發(fā)明的變換器既可實(shí)現(xiàn)更高變比的輸出電壓，又能有效降低輸入電流和輸出電壓的紋波，該變換器具有優(yōu)良的性能，非常適合于今后光伏發(fā)電，燃料電池發(fā)電等場合使用，具有較好的應(yīng)用和推廣前景。技術(shù)方案本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的如附圖1所示，本發(fā)明的高升壓變比變換器包括一個輸入電源(Vin)、兩個升壓電感(Li、L2)、兩個功率開關(guān)管(Tl、T2)、四個單向整流二極管(D1、D2、D3、D4)、兩個中間儲能電容(Cl、C2)、一個輸出濾波電容(C3)、濾波電容(O)兩端引出一個輸出端。其中輸入電源(Vin)的正極分別與電感(Li)、(L2)相連，電感(Li)的另一端與二極管(Dl)的陽極相連，同時連接功率開關(guān)管(Tl)的漏極。電感(L2)的另一端與二極管(D2)的陽極相連，同時連接功率開關(guān)管(T2)的漏極。二極管(Dl)的陰極與二極管(D3)的陽極連接，同時連接中間儲能電容(C2)的一端，(C2)的另一端連接到功率開關(guān)管(T2)的漏極。二極管(D2)的陰極與二極管(D4)的陽極連接，同時連接中間儲能電容(Cl)的一端，(Cl)的另一端連接到功率開關(guān)管(Tl)的漏極。二極管(D3)的陰極與二極管(D4)的陰極連接，再與輸出濾波電容(C3)的一端連接，(C3)的另一端與功率開關(guān)管(T1)、(T2)的源極連接，再連接到輸入電源(Vin)的負(fù)極， 輸出濾波電容(O)兩端的電壓即為輸出電壓，并連接負(fù)載。本發(fā)明在輸入電感(Li)、(L2)電流工作在連續(xù)狀態(tài)或臨界連續(xù)狀態(tài)，且采用互補(bǔ)控制方法時，可以分為兩種工作模態(tài)，下面對本發(fā)明的兩種工作模態(tài)進(jìn)行詳細(xì)分析和說明工作模態(tài)1如附圖2所示，功率開關(guān)管(Tl)導(dǎo)通，功率開關(guān)管(Τ2)關(guān)斷，此時二極管(Dl)、(D4)截止，二極管(D2)、(D3)導(dǎo)通。輸入電源電壓直接加到電感(Li)上，電感電流iu線形增加。電感(U)和輸入電源一起通過二極管(擬)向中間儲能電容(Cl)充電，同時電感(U)和輸入電源，及中間儲能電容(以)一起通過二極管(D!3)向輸出端提供能量，電流、線形減小。工作模態(tài)2如附圖3所示，功率開關(guān)管(T2)導(dǎo)通，功率開關(guān)管(Tl)關(guān)斷，此時二極管(Dl)、(D4)導(dǎo)通，二極管(D2)、(D3)截止。輸入電源電壓直接加到電感(L2)上，電感電流、線形增加。電感(Li)和輸入電源一起通過二極管(Dl)向中間儲能電容(C2)充電， 同時電感(Li)和輸入電源，及中間儲能電容(Cl) 一起通過二極管(D4)向輸出端提供能能量，電流、線形減小。有益效果
與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有如下有益效果本發(fā)明的變換器具有更高的升壓變比，同時能有效降低輸入電流和輸出電壓的紋波，提高變換器的效率、且控制電路的實(shí)現(xiàn)簡單，工作特性好，既可作為一般直流-直流變換器使用，又可用于太陽能光伏電池和燃料電池的獨(dú)立發(fā)電或并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。


圖1是本發(fā)明的高升壓變比直流-直流變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。圖1中的標(biāo)號名稱1 :由電感(Li)、二極管(Dl)、開關(guān)管(Tl)組成的四端網(wǎng)絡(luò) (1) ；2 由電感(L2)、二極管(D2)、開關(guān)管(T2)組成的四端網(wǎng)絡(luò)(2) ；3 由二極管(D3) (D4) 組成的三端網(wǎng)絡(luò)；4 中間儲能電容(Cl) ；5 中間儲能電容(C2) ；6 輸出濾波電容(C3) ；7 輸出端負(fù)載。圖2是本發(fā)明的高升壓變比直流-直流變換器工作模態(tài)1的等效電路圖。圖3是本發(fā)明的高升壓變比直流-直流變換器工作模態(tài)2的等效電路圖。圖4是本發(fā)明的高升壓變比直流-直流變換器穩(wěn)態(tài)工作時開關(guān)信號和各功率管電壓應(yīng)力的仿真實(shí)驗波形圖，其中VD1，VD2，VD3，VD4分別對應(yīng)二極管Dl，D2，D3，D4的電壓應(yīng)力；VT1，VT2分別對應(yīng)開關(guān)管T1，T2的電壓應(yīng)力；DriveSl,DriveS2是開關(guān)管Tl，T2的驅(qū)動信號。圖5是本發(fā)明的高升壓變比直流-直流變換器穩(wěn)態(tài)工作時的開關(guān)信號，各電感電流，輸入和輸出電壓的仿真實(shí)驗波形圖，其中iLl，iL2是流過電感Li，L2的電流，Vin, Vout 對應(yīng)輸入電壓和輸出電壓，DriveTl, DriveT2是開關(guān)管Tl，T2的驅(qū)動信號。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了實(shí)施方式和操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。本實(shí)施例的兩個輸入電感(Li)、(L2)在電流連續(xù)或臨界狀態(tài)下工作，采用互補(bǔ)控制時本發(fā)明的變換器有兩種工作模態(tài)，下面對本實(shí)施例的兩種工作模態(tài)進(jìn)行詳細(xì)分析，進(jìn)一步推導(dǎo)本發(fā)明變換器的輸出與輸入電壓的變比。以下說明中，Ts為開關(guān)管(Tl)、(T2)的開關(guān)周期，Ton為開關(guān)管(Tl)在每個開關(guān)周期內(nèi)導(dǎo)通的時間、1； 為開關(guān)管(Tl)在每個開關(guān)周期內(nèi)關(guān)斷的時間、d為功率開關(guān)管(Tl) 的占空比，其中Ton = dTs，Toff = (l-d)Ts，T。n+T。ff = Ts,由于本發(fā)明變換器的功率開關(guān)管 (T2)與(Tl)工作在完全互補(bǔ)狀態(tài)，即開關(guān)管(Tl)在每個開關(guān)周期內(nèi)導(dǎo)通時、開關(guān)管(T2) 關(guān)斷；當(dāng)開關(guān)管(Tl)在每個開關(guān)周期內(nèi)關(guān)斷時、開關(guān)管(T2)導(dǎo)通；1、工作模態(tài)1 此模態(tài)如附圖2所示，功率開關(guān)管(Tl)導(dǎo)通，功率開關(guān)管(T2)關(guān)斷，此時二極管(Dl)、(D4)截止，二極管(D2)、(D3)導(dǎo)通。輸入電源電壓直接加到電感(Li)上，電感電流iu線形增加，其動態(tài)特性方程為
權(quán)利要求
1.一種高升壓變比直流-直流變換器，包括單輸入電源(Vin)、兩個升壓電感(L1、L2)、 兩個功率開關(guān)管(Tl、T2)、四個單向整流二極管(Dl、D2、D3、D4)、兩個中間儲能電容(Cl、 C2)、一個輸出濾波電容(C3)、濾波電容(O)兩端引出一個輸出端，其中(Li、Tl、Dl)組成一個四端網(wǎng)絡(luò)(1)，具體為(T1)的漏極與(Dl)的陽極相連，同時(Tl)的漏極與電感(Li) 的一端相連，再從(Tl)的漏極引出一條支路接儲能電容(Cl)的一端，這樣(Li)的另一端、 (Dl)的陰極、(Tl)的源極，和從(Tl)的漏極引出的一條支路組成四個端子分別對應(yīng)為端子 ①、②、③、④；其中(L2、Τ2、D2)組成另一個四端網(wǎng)絡(luò)(2)，具體為(Τ2)的漏極與(D2)的陽極相連，同時0 的漏極與電感(U)的一端相連，再從0 的漏極引出一條支路接儲能電容(C2)的一端，這樣(L2)的另一端、(D2)的陰極、(T2)的源極，和從(T2)的漏極引出的另一條支路組成另外四個端子分別對應(yīng)為⑤、⑥、⑦、⑧；把兩個四端網(wǎng)絡(luò)的端子①和端子⑤相連后接到輸入電源(Vin)的正極；把兩個四端網(wǎng)絡(luò)的端子③和端子⑦相連后接到輸入電源(Vin)的負(fù)極；儲能電容(Cl)的一端與四端網(wǎng)絡(luò)⑴的端子④相連，儲能電容(Cl) 的另一端與四端網(wǎng)絡(luò)(2)的端子⑥相連，再與D4的陽極相連；儲能電容(C2)的一端與四端網(wǎng)絡(luò)的端子⑧相連，儲能電容(C2)的另一端與四端網(wǎng)絡(luò)(1)的端子②相連，再與(D3) 的陽極相連；把(D3)和(D4)的陰極相連，再與(C3)的一端連接；把(C3)的另一端與輸入電源(Vin)的負(fù)極連接；從(C3)的兩端引出輸出端接負(fù)載。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于控制方法為采用(Tl)，(T2)互補(bǔ)的方法同時控制兩個開關(guān)管，S卩(Tl)的導(dǎo)通時，(T2)關(guān)斷；或當(dāng)(Tl)關(guān)斷時，(T2)導(dǎo)通來實(shí)現(xiàn)變換器的高升壓變比。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的變換器，其特征是，所述變換器在電感(Li)，(L2)電流連續(xù)工作狀態(tài)或臨界連續(xù)工作狀態(tài)下，升壓傳輸變比為M=^ , d為開關(guān)(τι)或a{l-a)(T2)的導(dǎo)通占空比。
全文摘要
一種電力電子技術(shù)領(lǐng)域的高升壓變比直流-直流變換器，它包括一個直流輸入端，一個直流輸出端，兩個升壓電感L1和L2，兩個中間儲能電容C1和C2，四個單向整流二極管D1，D2，D3，D4，兩個開關(guān)管T1和T2，一個輸出濾波電容C3。采用T1和T2互補(bǔ)導(dǎo)通的控制方法，通過中間儲能電容的自升壓能力實(shí)現(xiàn)該變換器的高升壓變比，同時具有較小的輸入電流紋波和輸出電壓紋波。
文檔編號H02M3/07GK102208868SQ20111010937
公開日2011年10月5日 申請日期2011年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月29日
發(fā)明者胡雪峰, 韋徵, 龔春英 申請人:南京航空航天大學(xué)