本發(fā)明涉及一種集散電源式光伏發(fā)電技術領域，尤其涉及一種用于光伏集散電源的軟開關直流/直流升壓變換器。

背景技術：

集散電源式光伏發(fā)電系統(tǒng)作為近年來新興的一種優(yōu)選光伏發(fā)電系統(tǒng)形式，既有傳統(tǒng)的集中式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同是又有組串式光伏發(fā)電系統(tǒng)的多路MPPT（最大功率點追蹤）控制、發(fā)電量多等優(yōu)點。集散電源式光伏發(fā)電系統(tǒng)拓撲結構如圖1所示，由光伏陣列、集散電源單元、并網(wǎng)逆變器組成，通常為直流/直流升壓變換器形式，實現(xiàn)光伏陣列的功率輸出最大化控制（MPPT）。集散電源式光伏發(fā)電中，集散電源單元作為整個發(fā)電系統(tǒng)的關鍵組件，它的轉換效率將直接影響到發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和發(fā)電輸出量，因此通常要求能夠高效率的執(zhí)行直流/直流電壓轉換。

目前的直流/直流升壓變換電路典型的如圖2所示，包括輸入濾波電感L、功率開關管Q、輸出二極管D以及輸出電容Co，假設所有的器件為理想特性的器件，各器件輸出波形如圖3所示。首先開通功率開關管Q，輸入濾波電感L中電流直線增加，其結果將輸入電源的能量轉換并儲存到了輸入濾波電感L中；此后關斷功率開關管Q，Q中的電流降至零，輸入濾波電感L中的電流有功率開關管Q換流到輸出二極管D，將輸入濾波電感器L中的能量輸出到輸出端口，同時輸入濾波電感L中的電流直線減少，其存儲的電能也隨之減少；通過重復以上功率開關管Q的開通、關斷動作，完成將輸入端的低壓電能源源不斷地轉換成高壓電能并傳輸?shù)捷敵龆恕?/p>

上述直流/直流升壓變換電路中，功率開關管及二極管的開通、關斷動作是通過硬開關切換，如圖4所示，功率開關管Q在開通和關斷過程中都會產(chǎn)生電流、電壓的重疊，從而產(chǎn)生開關損耗，輸出二極管D在關斷時由于固有的反向恢復特性也會產(chǎn)生開關損耗；開關損耗隨電路開關頻率的增大而增大，高頻動作時將會產(chǎn)生巨大的損耗，會嚴重影響電路的轉換效率，因此傳統(tǒng)的直流/直流升壓變換電路實際中轉換效率較低，不能滿足光伏集散電源的電壓變換要求。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題就在于：針對現(xiàn)有技術存在的技術問題，本發(fā)明提供一種結構簡單、所需成本低，能夠實現(xiàn)軟開關切換，且開關損耗低 、電磁干擾小以及電壓轉換效率高的用于光伏集散電源的軟開關直流/直流升壓變換器。

為解決上述技術問題，本發(fā)明提出的技術方案為：

用于光伏集散電源的軟開關直流/直流升壓變換器，包括：輸入電感L、主開關單元、輔助開關單元、輸出二極管D、以及由諧振電容Cr、諧振電感Lr構成的諧振回路；所述主開關單元包括反向并聯(lián)連接的主功率開關管以及二極管；所述輔助開關單元包括反向并聯(lián)連接的輔助功率開關管以及二極管；

所述輸入電感L的一端連接光伏電池板正極，另一端分別連接所述主功率開關管的高壓端、所述諧振電感Lr的一端、所述輸出二極管D的陽極，所述諧振電感Lr的另一端連接所述輔助功率開關管的高壓端，所述主功率開關管以及所述輔助功率開關管的低壓端均連接至光伏電池板負極，所述輸出二極管D的陰極、所述輸出電容Co的一端均連接輸出端Vo的正極，所述輸出電容Co的另一端連接輸出端Vo的負極；

所述諧振電容Cr并聯(lián)設置于所述輸出二極管D的兩端。

作為本發(fā)明的進一步改進：還包括第一二極管D1、第二二極管D2以及吸收電容C1；

所述第一二極管D1的陽極分別連接所述諧振電感Lr、所述輔助功率開關管的高壓端，所述第一二極管D1的陰極連接所述第二二極管D2的陽極，所述第二二極管D2的陰極連接輸出端Vo的正極；所述吸收電容C1的一端連接所述輸出二極管D的陽極，另一端分別連接所述第一二極管D1的陰極、所述第二二極管D2的陽極。

作為本發(fā)明的進一步改進：還包括分別與所述主功率開關管、輔助功率開關管連接的控制器單元，所述控制器單元控制先開通所述輔助功率開關管單元，所述諧振電感Lr、諧振電容Cr組成的諧振回路完成諧振過程后控制開通所述主功率開關管，再控制依次關斷所述輔助功率開關管、所述主功率開關管，以完成低壓至高壓的轉換。

作為本發(fā)明的進一步改進：所述主功率開關管、輔助功率開關管均為IGBT功率開關管。

用于光伏集散電源的軟開關直流/直流升壓變換器，包括：輸入電感L、主開關單元、輔助開關單元、輸出二極管D、由諧振電容Cr、由諧振電感Lr構成的諧振回路以及反向電流抑制二極管；所述主開關單元包括反向并聯(lián)連接的主功率開關管以及二極管；所述輔助開關單元包括反向并聯(lián)連接的輔助功率開關管以及二極管；

所述輸入電感L的一端連接光伏電池板正極，另一端分別連接所述主功率開關管的高壓端、所述諧振電感Lr的一端、所述輸出二極管D的陽極，所述諧振電感Lr的另一端連接所述輔助功率開關管的高壓端，所述主功率開關管以及所述輔助功率開關管的低壓端均連接至光伏電池板負極，所述輸出二極管D的陰極、所述輸出電容Co的一端均連接輸出端Vo的正極，所述輸出電容Co的另一端連接輸出端Vo的負極；

所述諧振電容Cr并聯(lián)設置于所述輸出二極管D的兩端；

所述反向電流抑制二極管的陽極設置在所述諧振電感Lr、所述輔助功率開關管之間。

作為本發(fā)明的進一步改進：還包括第一二極管D1、第二二極管D2以及吸收電容C1；

所述第一二極管D1的陽極分別連接所述諧振電感Lr、所述輔助功率開關管的高壓端，所述第一二極管D1的陰極連接所述第二二極管D2的陽極，所述第二二極管D2的陰極連接輸出端Vo的正極；所述吸收電容C1的一端連接所述輸出二極管D的陽極，另一端分別連接所述第一二極管D1的陰極、所述第二二極管D2的陽極。

作為本發(fā)明的進一步改進：所述反向電流抑制二極管的陽極分別連接所述諧振電感Lr、所述第一二極管D1的陽極，所述反向電流抑制二極管的陰極與所述輔助功率開關管的高壓端連接。

作為本發(fā)明的進一步改進：所述反向電流抑制二極管的陽極連接所述諧振電感Lr，陰極分別連接所述第一二極管D1的陽極、所述輔助功率開關管的高壓端。

作為本發(fā)明的進一步改進：還包括分別與所述主功率開關管、輔助功率開關管連接的控制器單元，所述控制器單元控制先開通所述輔助功率開關管單元，所述諧振電感Lr、諧振電容Cr組成的諧振回路完成諧振過程后控制開通所述主功率開關管，再控制依次關斷所述輔助功率開關管單元、所述主功率開關管，以完成低壓至高壓的轉換。

作為本發(fā)明的進一步改進：所述主功率開關管、輔助功率開關管分別為IGBT功率開關管。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：本發(fā)明用于光伏集散電源的軟開關直流/直流升壓變換器，包括輸入電感、主開關單元、輔助開關單元、輸出二極管、以及由諧振電容、諧振電感構成的諧振回路，由輸入電感、主開關單元、輸出二極管以及輸出電容構成的主開關電路，實現(xiàn)對輸入電壓的升壓變換功能，同時由輔助功率開關管與包括諧振電感、諧振電容的諧振回路構成輔助開關電路，輔助功率開關管與主功率開關管輪流切換開通，開通過程中通過諧振回路限制電壓和電流的變化率，能夠實現(xiàn)功率開關管以及二極管的軟切換，減少開關電磁干擾，且通過輸出二極管兩端并聯(lián)的諧振電容，既可降低主功率開關管的開關損耗，又可降低輸出二極管的反向恢復開關損耗，因而能夠最大限度地減少、甚至消除功率開關管和二極管的開關損耗，從而最大限度的提高系統(tǒng)的轉換效率，滿足光伏集散電源的轉換需求。

附圖說明

圖1是集散式光伏發(fā)電系統(tǒng)的拓撲結構示意圖。

圖2是現(xiàn)有的直流/直流升壓變換器的結構示意圖。

圖3是現(xiàn)有的直流/直流升壓變換器的輸出波形示意圖。

圖4是現(xiàn)有的直流/直流升壓變換器的開關損耗波形示意圖。

圖5是本發(fā)明實施例1用于光伏集散電源的軟開關直流/直流升壓變換器的結構示意圖。

圖6是本發(fā)明實施例1中直流/直流升壓變換器各部件的輸出波形示意圖。

圖7是本發(fā)明實施例2中直流/直流升壓變換器的第一種結構示意圖。

圖8是本發(fā)明實施例2中直流/直流升壓變換器的第二種結構示意圖。

具體實施方式

以下結合說明書附圖和具體優(yōu)選的實施例對本發(fā)明作進一步描述，但并不因此而限制本發(fā)明的保護范圍。

實施例1：

如圖5所示，本實施例用于光伏集散電源的軟開關直流/直流升壓變換器包括：輸入電感L、主開關單元、輔助開關單元、輸出二極管D、以及由諧振電容Cr、諧振電感Lr構成的諧振回路；主開關單元包括反向并聯(lián)連接的主功率開關管以及二極管；輔助開關單元包括反向并聯(lián)連接的輔助功率開關管以及二極管；輸入電感L的一端連接光伏電池板正極，另一端分別連接主功率開關管的高壓端、諧振電感Lr的一端、輸出二極管D的陽極，諧振電感Lr的另一端連接輔助功率開關管的高壓端，主功率開關管以及輔助功率開關管的低壓端均連接至光伏電池板負極，輸出二極管D的陰極、輸出電容Co的一端均連接輸出端Vo的正極，輸出電容Co的另一端連接輸出端Vo的負極；諧振電容Cr并聯(lián)設置于輸出二極管D的兩端。

本實施例中，主功率開關管、輔助功率開關管均為IGBT，分別為主功率開關管Q以及輔助功率開關管Qa，其中具體由主功率開關管Q的集電極與輸入電感器L連接，輔助功率開關管Qa的集電極與諧振電感Lr連接，主功率開關管Q、輔助功率開關管Qa的發(fā)射極均與光伏電池板的負極連接。當然主功率開關管、輔助功率開關管也可以根據(jù)實際需求采用其他類型功率開關管。

本實施例上述直流/直流升壓變換器，由輸入電感L、主開關單元、輸出二極管D以及輸出電容Co構成主開關電路，實現(xiàn)對輸入電壓的升壓變換功能，通過PWM（pulse width modulation，脈寬調(diào)制）控制主功率開關管動作即可控制功率變換；同時，由輔助功率開關管與包括諧振電感Lr、諧振電容Cr的諧振回路構成輔助開關電路，輔助功率開關管與主功率開關管輪流切換開通，開通過程中通過諧振回路限制電壓和電流的變化率，能夠實現(xiàn)功率開關管以及二極管的軟切換，減少開關電磁干擾，且通過輸出二極管D兩端并聯(lián)的諧振電容Cr，既可降低主功率開關管Q的開關損耗，又可降低輸出二極管D的反向恢復開關損耗，因而能夠最大限度地減少、甚至消除功率開關管和二極管的開關損耗，從而最大限度的提高系統(tǒng)的轉換效率，滿足光伏集散電源的轉換需求。

上述直流/直流升壓變換器能夠最大限度的減小開關損耗，此時大幅度提高開關頻率對轉換效率影響較小，本實施例基于上述直流/直流升壓變換器，進一步通過減小濾波器參數(shù)，還可大幅減小系統(tǒng)的重量體積。

本實施例中，還包括第一二極管D1、第二二極管D2以及吸收電容C1；第一二極管D1的陽極連接至諧振電感Lr、輔助功率開關管之間，第一二極管D1的陰極連接第二二極管D2的陽極，第二二極管D2的陰極連接輸出端Vo的正極；吸收電容C1的一端連接輸出二極管D的陽極，另一端連接至第一二極管D1、第二二極管D2之間。

如圖5所示，本實施例具體由輸入電感器L的第一端與光伏電池板的正極連接，輸入電感器L的第二端與功率開關管Q的集電極、諧振電感器Lr的第一端、諧振電容Cr的第一端、吸收電容C1的第一端、輸出二極管D的陽極連接，功率開關管Q的發(fā)射極與光伏電池板的負極連接，諧振電感器Lr的第二端與輔助功率開關管Qa的集電極、功率二極管D1的陽極連接，輔助功率開關管Qa的發(fā)射極與光伏電池板的負極連接，功率二極管D1的陰極與吸收電容C1的第二端、功率二極管D2的陽極連接，功率二極管D2的陰極與輸出二極管D的陰極、輸出電容Co的正極、諧振電容Cr的第二端連接、輸出電容Co的負極與光伏電池板的負極連接，輸出端Vo的正負極分別與輸出電容Co的正負極連接。

本實施例中，還包括分別與主功率開關管、輔助功率開關管連接的控制器單元，控制器單元控制先開通輔助功率開關管單元，諧振電感Lr、諧振電容Cr組成的諧振回路完成諧振過程后控制開通主功率開關管，再控制依次關斷輔助功率開關管單元、主功率開關管，以完成低壓至高壓的轉換。

本實施例上述直流/直流升壓變換器工作時，在主功率開關管Q開通前，開通輔助功率開關管Qa，啟動由諧振電感Lr、諧振電容Cr組成的諧振回路，實現(xiàn)輸出二極管的軟關斷，并將主功率開關管Q兩端電壓拉至零伏，此時再開通主功率開關管Q，可實現(xiàn)主功率開關管Q的零電壓開通；同時，由于輔助功率開關管Qa開通時因諧振電感Lr電流為零，即實現(xiàn)輔助功率開關管Qa零電流開通；且主輔功率開關管Q、Qa關斷時，由諧振電容Cr、吸收電容C1可維持功率開關管兩端電壓在關斷過程中處在零附近，即實現(xiàn)功率開關管零電壓關斷，即通過本實施例上述直流/直流升壓變換器，能夠實現(xiàn)各功率開關管、二極管的開通、關斷動作的軟開關切換。

如圖6所示為本實施例上述直流/直流升壓變換器正常工作時各部件電壓電流波形，為便于分析，忽略各功率開關管和無源器件的導通壓降，上述直流/直流升壓變換器具體包括以下6種工作模式：

模式1：主功率開關管Q和輔助功率開關管Qa均處于截止狀態(tài)。輸入電感器L中的能量通過輸出二極管D傳遞給輸出側；此時流過諧振電感Lr的電流為零，諧振電容Cr和吸收電容C1兩端的電壓也為零；流過輸入電感L中的電流以 (Vo-Vin)/L的斜率遞減，其中Vo為輸出電壓值、Vin為輸入電壓值；

模式2：輔助功率開關管Qa開通，諧振電感Lr的電流從零開始線性增加，輸出二極管D的電流線性減小，直至等于輸出二極管D的器件固有的反向恢復電流值。此模式中諧振電容Cr兩端電壓仍然為零，主功率開關管Q兩端電壓與輸出電壓Vo相等。由于流進輔助開關管Qa的電流與諧振電感Lr的電流相同，開通過程中諧振電感Lr電流維持在微小值，輔助功率開關管Qa開通近似為零電流開通，開通損耗可忽略不計；

模式3：諧振電感Lr的電流持續(xù)增加，輸出二極管D反向恢復電流開始減小至自然關斷。此時諧振電感Lr與 諧振電容Cr開始諧振，諧振電容Cr通過諧振電感Lr充電直至輸出電壓值Vo，同時主功率開關管Q兩端電壓降至零，諧振過程結束。由于與輸出二極管D并聯(lián)的諧振電容Cr抑制了輸出二極管D的反向電壓的增長，使得二極管D反向恢復開關損耗大大減小，可忽略不計；

模式4：當主功率開關管Q兩端電壓降至零時，其體二極管自然導通，兩端電壓箝位于零，此時主功率開關管Q施加開通信號。由于主功率開關管Q已自然導通，不產(chǎn)生開通損耗，即為零電壓開通；

模式5：輔助開關管Qa施加關斷信號，由于吸收電容C1的存在，使得輔助功率開關管Qa兩端電壓升高的速度變慢，即輔助功率開關管Qa可以實現(xiàn)軟關斷。該模式下，諧振電感Lr經(jīng)過第一二極管D1向吸收電容C1充電，直至流過諧振電感Lr的電流為零，完成主功率開關管Q的導通狀態(tài)轉換；

模式6：主功率開關管Q關斷動作，由于諧振電容Cr的存在，主功率開關管Q兩端電壓緩慢上升，在低電壓狀態(tài)下即可完成從導通到截止的軟關斷轉換。之后，輸入電感L電流向諧振電容Cr及吸收電容C1反向充電，直至電壓到零，此后通過輸出二極管D流向輸出母線；

通過以上6個模式的周期性執(zhí)行，可實現(xiàn)從低壓輸入功率轉換成高壓輸出功率的功率轉換，且轉換過程中功率開關管、二極管均為軟開關切換，能夠最大限度的減小開關損耗，提高轉換效率。

實施例2：

本實施例與實施例1基本相同，不同在于在諧振電感Lr、輔助功率開關管之間還設置有反向電流抑制二極管，即本實施例用于光伏集散電源的軟開關直流/直流升壓變換器具體包括：輸入電感L、主功率開關管、輔助功率開關管、輸出二極管D、由諧振電容Cr、由諧振電感Lr構成的諧振回路以及反向電流抑制二極管；輸入電感L的一端連接光伏電池板正極，另一端分別連接主功率開關管的高壓端、諧振電感Lr的一端、輸出二極管D的陽極，諧振電感Lr的另一端連接輔助功率開關管的高壓端，主功率開關管以及輔助功率開關管的低壓端均連接至光伏電池板負極，輸出二極管D的陰極、輸出電容Co的一端均連接輸出端Vo的正極，輸出電容Co的另一端連接輸出端Vo的負極；諧振電容Cr并聯(lián)設置于輸出二極管D的兩端；反向電流抑制二極管的陽極設置在諧振電感Lr、輔助功率開關管之間。

若輔助功率開關管的體結電容量值較大，主功率開關管導通期間在諧振電感Lr中可能產(chǎn)生持續(xù)的反向電流，會產(chǎn)生的額外導通損耗。本實施例通過在輔助功率開關管與諧振電感Lr之間布置反向電流抑制二極管，可以抑制反向電流的產(chǎn)生。

如圖7所示為本實施例直流/直流升壓變換器第一種結構，具體反向電流抑制二極管D3的陽極分別連接諧振電感Lr、第一二極管D1的陽極，反向電流抑制二極管D3的陰極與輔助功率開關管的高壓端連接。主功率開關管、輔助功率開關管分別為IGBT功率開關管（Q、Qa）。

如圖8所示為本實施例直流/直流升壓變換器第二種結構，具體反向電流抑制二極管D3的陽極連接諧振電感Lr，陰極分別連接第一二極管D1的陽極、輔助功率開關管的高壓端。主功率開關管、輔助功率開關管分別為IGBT功率開關管（Q、Qa）。

本實施例與實施例1相同的，還包括第一二極管D1、第二二極管D2以及吸收電容C1；第一二極管D1的陽極連接至諧振電感Lr、輔助功率開關管之間，第一二極管D1的陰極連接第二二極管D2的陽極，第二二極管D2的陰極連接輸出端Vo的正極；吸收電容C1的一端連接輸出二極管D的陽極，另一端連接至第一二極管D1、第二二極管D2之間。

本實施例與實施例1相同的，還包括分別與主功率開關管、輔助功率開關管連接的控制器單元，控制器單元控制先開通輔助功率開關管單元，諧振電感Lr、諧振電容Cr組成的諧振回路完成諧振過程后控制開通主功率開關管，再控制依次關斷輔助功率開關管單元、主功率開關管，以完成低壓至高壓的轉換。

上述只是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均應落在本發(fā)明技術方案保護的范圍內(nèi)。