(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 111800004 A(43)申请公布日 2020.10.20
(21)申请号 202010671080.9(22)申请日 2020.07.13
(71)申请人 中南大学
地址 410083 湖南省长沙市岳麓区麓山南
路932号(72)发明人 宁光富 粟梅 孙尧 韩华 (74)专利代理机构 南京众联专利代理有限公司
32206
代理人 蒋昱(51)Int.Cl.
H02M 3/07(2006.01)
权利要求书1页 说明书4页 附图3页
(54)发明名称
可扩展的非隔离型单管高升压比直流变换器
(57)摘要
本发明公开了一种可扩展的非隔离型单管高升压比直流变换器，该变换器的基础结构主要包括一个开关管、三个电感、两个电容和多个二极管。当开通开关管时，三个电感进行充电，其中第一个和第二个电感并联充电，而第三个电感则由两个电容反向串联对其充电。而关断开关管后，三个电感同时放电，其中第一个和第二个电感串联放电，而第三个电感则单独放电给电容。通过三个电感的充放电可使得本发明的基础结构就能达到比Boost直流变换器升压比的平方还高的升压比。此外，通过添加由一个电感和三个二极管组成的扩展模块，可实现三个电感并联充电串联放电的效果，从而进一步提高升压比。以此类推，为了达到所需要的更高的升压比，可继续添加多个该扩展模块。
CN 111800004 ACN 111800004 A
权 利 要 求 书
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1.可扩展的非隔离型单管高升压比直流变换器，含基础结构和扩展模块两部分，其特征在于；所述基础结构包括输入源、一个开关管、三个电感、六个二极管、一个中间电容、一个输出电容和负载，
所述输入源Vin的负极与开关管Q的发射极、输出电容Co的负极、负载Ro的下端同时相连，而输入源Vin的正极为节点a，并同时连接至第一电感L1及第一二极管D10的串联支路和第二二极管D2及第二电感L2的串联支路，且第一二极管D10的阳极和阴极分别与第一电感L1和第二电感L2的一端相连，而第二二极管D2的阳极和阴极分别与第一电感L1和第二电感L2的另一端相连，第二二极管D2的阳极同时也与节点a相连；第一电感L1和第二电感L2之间串联了一个跨接二极管D12，跨接二极管D12的阳极和阴极分别连接至第一二极管D10的阳极和第二二极管D2的阴极；第一二极管D10的阳极与第二电感L2之间的连接线上靠近第一二极管D10阴极的一侧为节点c，靠近第二电感L2的一侧为节点b2；节点c同时连接至输出二极管Do和汇总二极管Dt的阳极，输出二极管Do的阴极分两路，一路连接至中间电容Cp的负极，中间电容Cp的正极则连接至中间二极管Dp的阴极然后连接至输出电容Co的正极和负载Ro的上端，另一路则连接至中间电感Lp后与中间二极管Dp的阳极相连，汇总二极管Dt的阴极与中间二极管Dp的阳极和开关管Q的集电极同时相连；
所述基础结构上添加扩展模块，扩展模块由一个电感Ln，n>2和三个二极管分别为Dn、二极管D(n-1)n以及二极管D(n-1)0组成，所述二极管Dn的阳极连接至基础结构中的节点a，而阴极则同时与电感Ln的一端和二极管D(n-1)n的阴极连接，二极管D(n-1)n和二极管D(n-1)0反向串联，串联点b(n-1)为二极管D(n-1)n的阳极，当n＝3时，该串联点即为所述基础结构中的节点b2，二极管D(n-1)0的阴极则与电感Ln的另一端连接，该连接线上靠近二极管D(n-1)0阴极的一侧为节点c，同时也是所述基础结构中的节点c，靠近电感Ln的一侧为节点bn。
2.根据权利1所述的可扩展的非隔离型单管高升压比直流变换器，其特征在于，所述基础结构中，开通开关管Q时，三个电感同时进行充电，其中第一电感L1和第二电感L2并联充电，而中间电感Lp则由中间电容Cp和输出电容Co两个电容反向串联对其充电，而关断开关管Q后，第一电感L1、第二电感L2和中间电感Lp三个电感同时放电，其中第一电感L1和第二电感L2串联放电，而中间电感Lp则单独放电给中间电容Cp，所述基础结构的升压比要大于传统Boost直流变换器升压比的平方。
3.根据权利1或2所述的可扩展的非隔离型单管高升压比直流变换器，其特征在于，在所述基础结构上根据需要添加一个或者多个所述扩展模块，且所添加的扩展模块中的电感Ln与基础结构中的第一电感L1和第二电感L2进一步形成多个电感并联充电串联放电的工作模式，从而进一步提高所述直流变换器的升压比。
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说 明 书
可扩展的非隔离型单管高升压比直流变换器
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技术领域
[0001]本发明属于电力电子技术领域，主要应用于分布式光伏发电系统中，涉及可扩展的非隔离型单管高升压比直流变换器。
背景技术
[0002]随着全世界范围内的能源短缺以及环境破坏程度的日益严重，分布式光伏发电以其丰富的资源、清洁环保等特点得到了全社会的极大关注。光伏组件的输出电压普遍较低，常见为20V～50V之间，需要通过一个直流变换器将其电压进行抬升之后才能连接逆变器负载或者直流负载中。在典型的分布式发电系统中，直流母线电压通常在380V以上，远高于光伏组件的输出电压，因此要求直流变换器具备很高的升压比。早在2009年，就有相关学者提出了二次型直流变换器(J.Leyva-Ramos,M.G.Ortiz-Lopez,L.H.Diaz-Saldierna and J.A.Morales-Saldana,\"Switching regulator using a quadratic boost converter for wide DC conversion ratios,\"in IET Power Electronics,vol.2,no.5,pp.605-613,Sept.2009.)，所谓二次型就是指变换器升压比是传统Boost变换器升压比的平方。但该变换器无法实现升压比的进一步提升，同时也无法实现结构的进一步扩展。因此，当光伏组件输出电压在光照和温度等条件影响下出现一定的下降时，该变换器可能无法满足所需的升压比。
发明内容
[0003]针对分布式光伏发电系统中需要将光伏组件电压抬升至较高的直流母线电压问题，本发明提供可扩展的非隔离型单管高升压比直流变换器，可进一步提高非隔离型直流变换器的升压比，该变换器只含有一个开关管，且其中基础结构的升压比就要大于传统Boost直流变换器升压比的平方，可满足更高升压比的需求，另外通过添加一个或者多个扩展模块，升压比可进一步有效提高；[0004]为达此目的，本发明提供可扩展的非隔离型单管高升压比直流变换器，含基础结构和扩展模块两部分，所述基础结构包括输入源、一个开关管、三个电感、六个二极管、一个中间电容、一个输出电容和负载，
[0005]所述输入源Vin的负极与开关管Q的发射极、输出电容Co的负极、负载Ro的下端同时相连，而输入源Vin的正极为节点a，并同时连接至第一电感L1及第一二极管D10的串联支路和第二二极管D2及第二电感L2的串联支路，且第一二极管D10的阳极和阴极分别与第一电感L1和第二电感L2的一端相连，而第二二极管D2的阳极和阴极分别与第一电感L1和第二电感L2的另一端相连，第二二极管D2的阳极同时也与节点a相连；第一电感L1和第二电感L2之间串联了一个跨接二极管D12，跨接二极管D12的阳极和阴极分别连接至第一二极管D10的阳极和第二二极管D2的阴极；第一二极管D10的阳极与第二电感L2之间的连接线上靠近第一二极管D10阴极的一侧为节点c，靠近第二电感L2的一侧为节点b2；节点c同时连接至输出二极管Do和汇总二极管Dt的阳极，输出二极管Do的阴极分两路，一路连接至中间电容Cp的负极，中间电
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容Cp的正极则连接至中间二极管Dp的阴极然后连接至输出电容Co的正极和负载Ro的上端，另一路则连接至中间电感Lp后与中间二极管Dp的阳极相连，汇总二极管Dt的阴极与中间二极管Dp的阳极和开关管Q的集电极同时相连；[0006]所述基础结构上添加扩展模块，扩展模块由一个电感Ln，n>2和三个二极管分别为Dn、二极管D(n-1)n以及二极管D(n-1)0组成，所述二极管Dn的阳极连接至基础结构中的节点a，而阴极则同时与电感Ln的一端和二极管D(n-1)n的阴极连接，二极管D(n-1)n和二极管D(n-1)0反向串联，串联点b(n-1)为二极管D(n-1)n的阳极，当n＝3时，该串联点即为所述基础结构中的节点b2，二极管D(n-1)0的阴极则与电感Ln的另一端连接，该连接线上靠近二极管D(n-1)0阴极的一侧为节点c，同时也是所述基础结构中的节点c，靠近电感Ln的一侧为节点bn。[0007]作为本发明进一步改进，所述基础结构中，开通开关管Q时，三个电感同时进行充电，其中第一电感L1和第二电感L2并联充电，而中间电感Lp则由中间电容Cp和输出电容Co两个电容反向串联对其充电，而关断开关管Q后，第一电感L1、第二电感L2和中间电感Lp三个电感同时放电，其中第一电感L1和第二电感L2串联放电，而中间电感Lp则单独放电给中间电容Cp，所述基础结构的升压比要大于传统Boost直流变换器升压比的平方。[0008]作为本发明进一步改进，在所述基础结构上根据需要添加一个或者多个所述扩展模块，且所添加的扩展模块中的电感Ln与基础结构中的第一电感L1和第二电感L2进一步形成多个电感并联充电串联放电的工作模式，从而进一步提高所述直流变换器的升压比。[0009]本发明一种可扩展的非隔离型单管高升压比直流变换器，该变换器的基础结构主要包括一个开关管、三个电感、两个电容和多个二极管。当开通开关管时，三个电感进行充电，其中第一个和第二个电感并联充电，而第三个电感则由两个电容反向串联对其充电。而关断开关管后，三个电感同时放电，其中第一个和第二个电感串联放电，而第三个电感则单独放电给电容。通过三个电感的充放电可使得本发明的基础结构就能达到比Boost直流变换器升压比的平方还高的升压比。此外，通过添加由一个电感和三个二极管组成的扩展模块，可实现三个电感并联充电串联放电的效果，从而进一步提高升压比。以此类推，为了达到所需要的更高的升压比，可继续添加多个该扩展模块。本发明只含有一个开关管，且其中基础结构的升压比要大于传统Boost直流变换器升压比的平方，另外通过添加一个或者多个扩展模块，升压比可进一步有效提高。附图说明
[0010]图1是本发明主电路的扩展示意图；
[0011]图2是本发明工作于电流连续模式时的典型波形；
[0012]图3是本发明基础结构部分开关管开通时的电流流向图；[0013]图4是本发明基础结构部分开关管关断时的电流流向图。
具体实施方式
[0014]下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：[0015]本发明提供可扩展的非隔离型单管高升压比直流变换器，可进一步提高非隔离型直流变换器的升压比，该变换器只含有一个开关管，且其中基础结构的升压比就要大于传统Boost直流变换器升压比的平方，可满足更高升压比的需求，另外通过添加一个或者多个
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扩展模块，升压比可进一步有效提高。[0016]实施案例1：参见图1，是一种可扩展的非隔离型单管高升压比直流变换器，图1中含左下角的主电路和右上角矩形框内编号为n(n>2)的标准扩展模块，其中左下角的主电路又含有实线部分的基础结构和虚线部分编号为3的扩展模块两部分。根据实际需要，可以按照节点a、b(n-1)、bn、c对应的位置继续扩展至第n个标准模块。[0017]图1中实线部分的基础结构包括输入源、一个开关管、三个电感、六个二极管、一个中间电容、一个输出电容和负载。输入源Vin的负极与开关管Q的发射极、输出电容Co的负极、负载Ro的下端同时相连，而正极为节点a，且正极同时连接至第一电感L1及第一二极管D10的串联支路和第二二极管D2及第二电感L2的串联支路，且第一二极管D10的阳极和阴极分别与第一电感L1和第二电感L2的一端相连，而第二二极管D2的阳极和阴极分别与第一电感L1和第二电感L2的另一端相连，第二二极管D2的阳极同时也与节点a相连；第一和第二电感(L1、L2)之间串联了一个跨接二极管D12，其阳极和阴极分别连接至第一二极管D10的阳极和第二二极管D2的阴极；第一二极管D10的阳极与第二电感L2之间的连接线上靠近第一二极管D10阴极的一侧为节点c，靠近第二电感L2的一侧为节点b2；节点c同时连接至输出二极管Do和汇总二极管Dt的阳极，输出二极管Do的阴极分两路，一路连接至中间电容Cp的负极，中间电容Cp的正极则连接至中间二极管Dp的阴极然后连接至输出电容Co的正极和负载Ro的上端，另一路则连接至中间电感Lp后与中间二极管Dp的阳极相连，汇总二极管Dt的阴极与中间二极管Dp的阳极和开关管Q的集电极同时相连。
[0018]图1中虚线部分是编号为3的扩展模块，含电感L3和二极管D3、D23、D20。其中二极管D3的阳极连接至实线基础结构的节点a，而阴极则同时与电感L3的一端和二极管D23的阴极连接，二极管D23和D20反向串联，二者的串联点b2为二极管D23的阳极，该串联点也即基础结构中的节点b2。二极管D20的阴极则与电感L3的另一端连接，该连接线上靠近二极管D20阴极的一侧为节点c，同时也是基础结构中的节点c，靠近电感L3的一侧为节点b3。[0019]实施案例2：以实施案例1中实线部分的基础结构为例，其对应的关键波形如图2。可见，本发明的基础结构工作于电流连续模式时，每个开关周期内存在两个工作模态，下面是两个工作模态的详细介绍：[0020]模态1(t0～t1)：在t0时刻开通开关管Q，三个电感同时进行充电，充电回路如图3所示。其中电感L1和L2并联工作，输入电压Vin同时给该并联支路充电，所以本模态中电感L1和L2的电流均线性上升，如图2所示。而中间电感Lp则由输出电容Co给其充电，同时也给中间电容Cp，所以本模态中中间电感Lp的电流和中间电容Cp的电压也是上升的，而输出电容Co的电压则是下降的，如图2所示。[0021]模态2(t1～t2)：在t1时刻关断开关管Q，三个电感同时放电，放电回路如图4所示。可见，电感L1和L2串联运行，通过二极管Do和中间电容Cp向输出电容Co放电，所以本模态中电感L1和L2的电流同步线性下降，且输出电容Co的电压上升。而中间电感Lp则通过中间二极管Dp向中间电容Cp放电，所以本模态中中间电感Lp的电流也是下降的。由于电感L1和L2的电流大于中间电感Lp的电流，即中间电容Co1的放电电流大于其充电电流，所以中间电容Cp的电压下降，如图2所示。[0022]综上所述，本且有且只有一个开关管，基础结构通过两个电感的并联充电和串联放电以及另外一个电感的独立充放电能够实现高升压比，且升压比要大于传统Boost直流
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变换器升压比的平方。另外，还可以添加一个或多个标准扩展模块，进一步提高升压比。[0023]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。
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说 明 书 附 图
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图1
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图2
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