[發明專利]多級單開關升壓變換器

有效

• 申請號: 201310238848.3
• 申請日: 2013-06-17
• 公開（公告）號: CN103346672A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發明（設計）人: 侯世英;陳劍飛;孫韜;鄒學偉;張立帥;陳復;梁濤;龔嫄
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: H02M3/155
• 分類號: H02M3/155;H02M1/14
• 代理公司: 重慶大學專利中心 50201
• 代理人: 王翔

技術領域

本發明涉及電力電子領域，具體涉及一種多級單開關升壓變換器。

背景技術

在可再生能源并網發電中，光伏發電和燃料電池發電的角色舉足輕重，然而太能板和燃料電池的輸出電壓都相對較低，不足以達到并網發電的目的。因此，具有較大升壓比的DC-DC升壓變換器變得極為重要。另外，為了適用于工程領域，這類升壓變換器還要同時具有較小的體積、較高的功率密度和較高的效率。

目前，在新能源并網發電領域，應用較多的還是傳統的Boost變換器，然而實際應用中，它的升壓能力有限，僅為輸入電壓的6倍，若要繼續增大輸出電壓，則要增大占空比，這樣一來會引起如下問題：①有源開關管及二極管的電壓、電流應力大；②開關損耗、二極管反向恢復損耗大，導致變換效率低；③dv/dt大，導致EMI嚴重；④抗輸入電壓擾動能力及動態性能差。

為了提高電壓增益和變換器性能，國內外很多專家學者們致力于高增益變換器拓撲的研究工作。目前的裝置雖然能實現較好的升壓作用，但是拓撲結構較復雜，控制電路設計困難，且電感元件較多，變換器體積大。現有的n級級聯型Boost變換器，雖然能實現較高的升壓能力，但是開關管電壓應力較高，等于輸出電壓，影響了變換器工作效率。有人提出了Z源變換器拓撲，采用一個獨特的阻抗網絡，將變換器主電路和電源耦合在一起，得到傳統的電壓源和電流源變換器所不能得到的獨特特性，提供了一個新穎的功率變換概念，克服了傳統的電壓源和電流源變換器的不足，但是存在升壓能力不足、啟動沖擊較嚴重、輸入電流斷續造成直流電壓利用率低等方面的不足。采用級聯準Z源阻抗網絡的方法實現電壓增益的提高，變換效率較高，但主電路拓撲及控制電路較復雜，如何確保級聯準Z源阻抗網絡的穩定工作也相對困難，且電路中電感元件較多，體積大。現有的基于Cuk變換器和Sepic變換器，采用電壓自舉技術實現升壓作用，雖然輸入電流紋波和輸出電壓紋波較小，控制電路簡單，但是升壓能力有限。目前還有針對燃料電池發電系統提出使用耦合電感構建高升壓變換器，耦合電感的使用會引起開關器件電壓應力過高，導致變換器工作損耗較大，效率低，且有源開關元件較多，成本高。也有的文獻記載的方案雖然能實現較好的升壓作用，但是拓撲較為復雜，控制電路設計困難，且輸入電壓利用率低，輸出電壓紋波大。

因而，針對新能源發電領域中對變換器的需求，亟需升壓能力強，控制電路簡單，易于集成的升壓變換器。

發明內容

本文在傳統Boost變換器的基礎上，提出了一種多級單開關升壓變換器。該變換器由Boost升壓電路和若干個Switch-Capacitor網絡組成，其中每一個Switch-Capacitor網絡所貢獻的電壓相等，并通過交錯串聯的方式實現多個網絡電壓的累加，提高輸出電壓，升壓能力強。變換器只有一個有源開關元件，控制電路簡單，且開關管電壓應力小，為輸入電壓的1/(1-D)倍；每個Switch-Capacitor網絡中的電容電壓大小相等，為輸入電壓的1/(1-D)倍，電容電壓應力小，減小了電路體積，且容易集成。

為實現本發明目的而采用的技術方案是這樣的，一種多級單開關升壓變換器，

包括前級Boost升壓網絡和若干個Switch-Capacitor網絡；其中前級Boost升壓網絡的拓撲結構如下：有源開關管S的漏極通過電感L連接電源U_in的正極，有源開關管S的源極連接電源U_in的負極；二極管D₁₁的陰極與電容C₁₂的正極串聯，電容C₁₂的負極與二極管D₁₂的陰極連接，二極管D₁₂的陽極串聯電容C₁₁的負極，電容C₁₁的正極與二極管D₁₁的陽極連接；有源開關管S的漏極還連接到電容C₁₁正極與二極管D₁₁陽極間的連接點，有源開關管S的源極還連接到電容C₁₂負極與二極管D₁₂陰極間的連接點。