一种抽头耦合电感式非隔离型直流升压变换器及调制方法技术

本发明专利技术涉及一种抽头耦合电感式非隔离型直流升压变换器及调制方法，包括：1个带有中间抽头的耦合电感、2个全控型电力电子开关器件、4个电力二极管和2个电容器，本发明专利技术提供的电路拓扑采用非过导通调制与过导通调制两种调制方式，获得不同电压增益特性。在过导通调制下其电压增益显著高于传统Boost电路，可满足较高电压增益场合应用需求。同时该拓扑含有两个对称开关管，减小电压应力，适应更高电压等级应用需求。

A Tap Coupled Inductance Non-Isolated DC Boost Converter and Its Modulation Method

The invention relates to a tap-coupled inductance type non-isolated DC boost converter and a modulation method, which comprises a coupling inductance with an intermediate tap, two fully controlled power electronic switching devices, four power diodes and two capacitors. The circuit topology provided by the invention adopts two modulation modes of non-overconduction modulation and overconduction modulation to obtain different voltage gain characteristics. Its voltage gain is significantly higher than that of traditional Boost circuit under over-conduction modulation, which can meet the application requirements in high voltage gain situations. At the same time, the topology contains two symmetrical switches, which can reduce the voltage stress and meet the needs of higher voltage applications.

【技术实现步骤摘要】
一种抽头耦合电感式非隔离型直流升压变换器及调制方法
本专利技术涉及一种电力电子功率变换
，具体涉及一种抽头耦合电感式非隔离型直流升压变换器及调制方法。
技术介绍
直流升压变换器是一类重要电力电子变换装置，在开关电源、可再生能源发电以及直流电力系统中存在广泛应用。一般直流升压变换器按照输入-输出侧是否实现电气隔离可分为隔离型与非隔离型两类。其中非隔离型直流升压变换器，具有效率高、功率密度大的优点，广泛使用于光伏发电、开关电源供电、主动功率因数校正等领域，其代表性拓扑为经典Boost拓扑结构。受制于其工作原理，经典Boost拓扑升压能力较弱，且开关管所承受电压应力较大，不适合应用在：电压等级较高场合(如直流配电网、大型直流光伏电站、直流风电场)和需要较大升压比的场合。
技术实现思路
为解决上述现有技术中的不足，本专利技术的目的是提供一种抽头耦合电感式非隔离型直流升压变换器及调制方法，升压能力得到进一步提升，在相同调制模式与工作占空比下，稳态直流电压增益显著高于既有拓扑结构，从而可以在相同工况下采用更小的占空比，提升效率。本专利技术的目的是采用下述技术方案实现的：本专利技术提供一种非隔离型三电平直流升压变换器，其改进之处在于，包括：带有中间抽头的耦合电感、四个二极管、两个全控型电力电子开关器件和两个电容器；所述带有中间抽头的耦合电感的一端与电源输入端的正极连接，另一端与第四二极管的阳极连接；所述第四二极管的阴极分别与第三二极管的阴极和第一二极管的阳极连接；所述第三二极管的阳极连接在耦合电感的中间抽头处；所述第一二极管的阴极与电源输出端的正极连接；所述第二二极管的阴极与电源输入端的负极连接，阳极与电源输出端的负极连接；所述两个全控型电力电子开关器件分别为第一全控型电力电子开关器件S1和第二控型电力电子开关器件S2；所述两个电容器分别为第一电容器和第二个电容器；其中第一全控型电力电子开关器件S1的源极分别与第四二极管的阴极和第一二极管的阳极连接；漏极与第二全控型电力电子开关器件S2的源极连接；第二控型电力电子开关器件S2的漏极分别与电源输入端的负极和第二二极管的阴极连接；第一个电容器的正极分别与所述第一二极管的阴极和电源输出端的正极连接；第一电容器的负极与另一个电容器的正极连接；第二个电容器的负极分别与第二二极管的阳极和电源输出端的负极连接；第一全控型电力电子开关器件S1和第二全控型电力电子开关器件S2之间的连接点与两个电容器之间的连接点连接。进一步地，所述带有中间抽头的耦合电感为双绕组形式。进一步地，所述第一二极管用于第一全控型电力电子开关器件S1导通时第一电容器经由第一全控型电力电子开关器件S1支路放电，所述第二二极管用于第二全控型电力电子开关器件S2导通时第二电容器经由第二全控型电力电子开关器件S2支路放电，所述第三二极管用于阻止非过导通调制或过导通调制下抽头耦合电感释放能量时L2非同名端电流灌入中间抽头点，第四二极管用于阻止非过导通调制或过导通调制下抽头耦合电感充入能量时中间抽头点电流灌入L2非同名端。进一步地，第一全控型电力电子开关器S1和第二全控型电力电子开关器件S2均反并联有二极管。进一步地，所述直流升压变换器具有非过导通调制和过导通调制模式。进一步地，所述升压变压器的升压能力由调制模式、导通占空比或直通占空比，以及带有中间抽头的耦合电感两段匝数比决定。本专利技术还提供一种抽头耦合电感式非隔离型直流升压变换器的调制方法，其改进之处在于：所述升压变压器包括带有中间抽头的耦合电感、四个二极管、两个全控型电力电子开关器件和两个电容器；所述带有中间抽头的耦合电感的一端与电源输入端的正极连接，另一端与第四二极管的阳极连接；所述第四二极管的阴极分别与第三二极管的阴极和第一二极管的阳极连接；所述第三二极管的阳极连接在耦合电感的中间抽头处；所述第一二极管的阴极与电源输出端的正极连接；所述第二二极管的阴极与电源输入端的负极连接，阳极与电源输出端的负极连接；所述两个全控型电力电子开关器件分别为第一全控型电力电子开关器件S1和第二控型电力电子开关器件S2；所述两个电容器分别为第一电容器和第二个电容器；其中第一全控型电力电子开关器件S1的源极分别与第四二极管的阴极和第一二极管的阳极连接；漏极与第二全控型电力电子开关器件S2的源极连接；第二控型电力电子开关器件S2的漏极分别与电源输入端的负极和第二二极管的阴极连接；第一个电容器的正极分别与所述第一二极管的阴极和电源输出端的正极连接；第一电容器的负极与另一个电容器的正极连接；第二个电容器的负极分别与第二二极管的阳极和电源输出端的负极连接；第一全控型电力电子开关器件S1和第二全控型电力电子开关器件S2之间的连接点与两个电容器之间的连接点连接。对升压变压器进行非过导通调制，获得非过导通调制模式下的电压增益；对升压变压器进行过导通调制，获得过导通调制模式下的电压增益。进一步地：所述对升压变压器进行非过导通调制，获得非过导通调制模式下的电压增益，包括：在非过导通调制模式下根据升压变压器电路的3种工作状态确定抽头耦合电感的线圈电压；根据抽头耦合电感的线圈电压确定稳态下输出电压平均值与输入电压间关系；稳态下输出电压平均值与输入电压间关系确定非过导通调制模式下升压变压器电路的电压增益。进一步地：所述在非过导通调制模式下升压变压器电路的3种工作状态，包括：(1)第一全控型电力电子开关器件S1＝1，第二全控型电力电子开关器件S2＝0时的工作状态；(2)第一全控型电力电子开关器件S1＝0，第二全控型电力电子开关器件S2＝0时的工作状态；(3)第一全控型电力电子开关器件S1＝0，第二全控型电力电子开关器件S2＝1时的工作状态。进一步地：当处于第一全控型电力电子开关器件S1＝1，第二全控型电力电子开关器件S2＝0时的工作状态时，此时第三二极管与第二二极管导通，第一二极管与第四二极管截止，由KVL定律得到：Uin＝UL1-on+UC2(1)当两个电容的电压充分大时，得到：针对抽头耦合电感L1与L2，依据法拉第电磁感应定律得到：当抽头耦合电感为理想器件时，得到：Φ1＝Φ2(5)令N＝N1/N2，由式(2)-(4)联立得到：UL2-on/off＝NUL1-on/off(6)当处于第一全控型电力电子开关器件S1＝0，第二全控型电力电子开关器件S2＝0时的工作状态时，第一、二和四二极管导通，第三二极管截止，由KVL定律得到：Uin＝UL1-off+UL2-off+Uout(7)当处于第一全控型电力电子开关器件S1＝0，第二全控型电力电子开关器件S2＝1时的工作状态时，第一、三二极管导通，第二、四二极管截止，由KVL得到：Uin＝UL1-on+UC1(8)联立式(1)(2)(6)(7)(8)得：采用非过导通调制时令，则依据电感伏秒平衡原理，得到：F1·UL1-on+(1-F1)·UL1-off＝0(11)联立式(9)-(11)，得到稳态下输出电压平均值与输入电压间关系式为：则非过导通调制模式下结构电压增益为：式中：UL1-on/off表示非过导通调制模式下抽头耦合电感充能/放能状态下线圈L1两侧电压，UL2-on/off表示非过导通调制模式下抽头耦合电感充能/放能状态下线圈L2两侧电压，UL1-on表示非过导通调制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非隔离型三电平直流升压变换器，其特征在于，包括：带有中间抽头的耦合电感、四个二极管、两个全控型电力电子开关器件和两个电容器；所述带有中间抽头的耦合电感的一端与电源输入端的正极连接，另一端与第四二极管的阳极连接；所述第四二极管的阴极分别与第三二极管的阴极和第一二极管的阳极连接；所述第三二极管的阳极连接在耦合电感的中间抽头处；所述第一二极管的阴极与电源输出端的正极连接；所述第二二极管的阴极与电源输入端的负极连接，阳极与电源输出端的负极连接；所述两个全控型电力电子开关器件分别为第一全控型电力电子开关器件S1和第二控型电力电子开关器件S2；所述两个电容器分别为第一电容器和第二个电容器；其中第一全控型电力电子开关器件S1的源极分别与第四二极管的阴极和第一二极管的阳极连接；漏极与第二全控型电力电子开关器件S2的源极连接；第二控型电力电子开关器件S2的漏极分别与电源输入端的负极和第二二极管的阴极连接；第一个电容器的正极分别与所述第一二极管的阴极和电源输出端的正极连接；第一电容器的负极与另一个电容器的正极连接；第二个电容器的负极分别与第二二极管的阳极和电源输出端的负极连接；第一全控型电力电子开关器件S1和第二全控型电力电子开关器件S2之间的连接点与两个电容器之间的连接点连接。...

【技术特征摘要】
1.一种非隔离型三电平直流升压变换器，其特征在于，包括：带有中间抽头的耦合电感、四个二极管、两个全控型电力电子开关器件和两个电容器；所述带有中间抽头的耦合电感的一端与电源输入端的正极连接，另一端与第四二极管的阳极连接；所述第四二极管的阴极分别与第三二极管的阴极和第一二极管的阳极连接；所述第三二极管的阳极连接在耦合电感的中间抽头处；所述第一二极管的阴极与电源输出端的正极连接；所述第二二极管的阴极与电源输入端的负极连接，阳极与电源输出端的负极连接；所述两个全控型电力电子开关器件分别为第一全控型电力电子开关器件S1和第二控型电力电子开关器件S2；所述两个电容器分别为第一电容器和第二个电容器；其中第一全控型电力电子开关器件S1的源极分别与第四二极管的阴极和第一二极管的阳极连接；漏极与第二全控型电力电子开关器件S2的源极连接；第二控型电力电子开关器件S2的漏极分别与电源输入端的负极和第二二极管的阴极连接；第一个电容器的正极分别与所述第一二极管的阴极和电源输出端的正极连接；第一电容器的负极与另一个电容器的正极连接；第二个电容器的负极分别与第二二极管的阳极和电源输出端的负极连接；第一全控型电力电子开关器件S1和第二全控型电力电子开关器件S2之间的连接点与两个电容器之间的连接点连接。2.如权利要求1所述的直流升压变换器，其特征在于，所述带有中间抽头的耦合电感为双绕组形式。3.如权利要求1所述的直流升压变换器，其特征在于，所述第一二极管用于第一全控型电力电子开关器件S1导通时第一电容器经由第一全控型电力电子开关器件S1支路放电，所述第二二极管用于第二全控型电力电子开关器件S2导通时第二电容器经由第二全控型电力电子开关器件S2支路放电，所述第三二极管用于阻止非过导通调制或过导通调制下抽头耦合电感释放能量时L2非同名端电流灌入中间抽头点，第四二极管用于阻止非过导通调制或过导通调制下抽头耦合电感充入能量时中间抽头点电流灌入L2非同名端。4.如权利要求1所述的直流升压变换器，其特征在于，第一全控型电力电子开关器S1和第二全控型电力电子开关器件S2均反并联有二极管。5.如权利要求1所述的直流升压变换器，其特征在于，所述直流升压变换器具有非过导通调制和过导通调制模式。6.如权利要求1所述的直流升压变换器，其特征在于，所述升压变压器的升压能力由调制模式、导通占空比或直通占空比，以及带有中间抽头的耦合电感两段匝数比决定。7.一种抽头耦合电感式非隔离型直流升压变换器的调制方法，其特征在于：所述升压变压器包括带有中间抽头的耦合电感、四个二极管、两个全控型电力电子开关器件和两个电容器；所述带有中间抽头的耦合电感的一端与电源输入端的正极连接，另一端与第四二极管的阳极连接；所述第四二极管的阴极分别与第三二极管的阴极和第一二极管的阳极连接；所述第三二极管的阳极连接在耦合电感的中间抽头处；所述第一二极管的阴极与电源输出端的正极连接；所述第二二极管的阴极与电源输入端的负极连接，阳极与电源输出端的负极连接；所述两个全控型电力电子开关器件分别为第一全控型电力电子开关器件S1和第二控型电力电子开关器件S2；所述两个电容器分别为第一电容器和第二个电容器；其中第一全控型电力电子开关器件S1的源极分别与第四二极管的阴极和第一二极管的阳极连接；漏极与第二全控型电力电子开关器件S2的源极连接；第二控型电力电子开关器件S2的漏极分别与电源输入端的负极和第二二极管的阴极连接；第一个电容器的正极分别与所述第一二极管的阴极和电源输出端的正极连接；第一电容器的负极与另一个电容器的正极连接；第二个电容器的负极分别与第二二极管的阳极和电源输出端的负极连接；第一全控型电力电子开关器件S1和第二全控型电力电子开关器件S2之间的连接点与两个电容器之间的连接点连接。对升压变压器进行非过导通调制，获得非过导通调制模式下的电压增益；对升压变压器进行过导通调制，获得过导通调制模式下的电压增益。8.如权利要求7所述的调制方法，其特征在于：所述对升压变压器进行非过导通调制，获得非过导通调制模式下的电压增益，包括：在非过导通调制模式下根据升压变压器电路的3种工作状态确定抽头耦合电感的线圈电压；根据抽头耦合电感的线圈电压确定稳态下输出电压平均值与输入电压间关系；稳态下输出电压平均值与输入电压间关系确定非过导通调制模式下升压变压器电路的电压增益。9.如权利要求8所述的调制方法，其特征在于：所述在非过导通调制模式下升压变压器电路的3种工作状态，包括：(1)第一全控型电力电子开关器件S1＝1，第二全控型电力电子开关器件S2＝0时的工作状态；(2)第一全控型电力电子开关器件S1＝0，第二全控型电力电子开关器件S2＝0时的工作状态；(3)第一全控型电力电子开关器件S1＝0，第二全控型电力电子开关器件S2＝1时的工作状态。10.如权利要求9所述的调制方法，其特征在于：当处于第一全控型电力电子开关器件S1＝1，第二全控型电力电子开关器件S2＝0时的工作状态时，此时第三二极管与第二二极管导通，第一二极管与第四二极管截止，由KVL定律得到：Uin＝UL1-on+UC2(1)当两个电容的电压充分大时，得到：...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱淼，徐莉婷，李修一，何国庆，李光辉，孙艳霞，袁晓冬，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院，上海交通大学，国网江苏省电力公司，国家电网公司，国网江苏省电力公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11