高升压比悬浮交错三电平DC/DC变换器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种高升压比悬浮交错三电平DC/DC变换器及其控制方法，变换器包括一个直流输入电源Uin，第一升压电感L1、第二升压电感L2、四个开关管S1、S2、S3、S4，四个单向整流二极管D1、D2、D3、D4、第一输出电容C1、第二输出电容C2、第一飞跨电容Cb1和第二飞跨电容Cb2，悬浮交错三电平变换器上下为结构对称。本发明专利技术与常规的Boost三电平变换器相比，在相同的占空比的情况下具有更大的升压比；本发明专利技术与悬浮交错Boost变换器相比，在相同占空比的情况下，其具有开关管的电压应力更低，交错形式可减小输入电流纹波，适合宽输入电压范围，开关管控制方法灵活多样等突出优点，非常适用于光伏电池等可再生能源并网发电系统。

【技术实现步骤摘要】
高升压比悬浮交错三电平DC/DC变换器及其控制方法
本专利技术涉及一种高升压比悬浮交错三电平DC/DC变换器及其控制方法，用于将低压直流电转换为较高压直流电，一般应用于高升压比高效率场合，属于电力电子
技术背景近年来，太阳能光伏发电技术得到了前所未有的发展，太阳能光伏并网发电成为太阳能利用的主要方式之一。研究光伏并网发电技术对缓解能源危机、保护生态环境和保证经济的可持续发展具有深远而重大的理论和现实意义。一般而言光伏阵列电池的输出电压较低，必须经过DC/DC变换器升压才能满足后级并网所需电压等级的要求。如果采用Boost电路进行升压，当输入电压较低时，为了达到更高的输出电压，其开关导通占空比就会较大，这样一方面会降低变换器的效率，同时开关频率也不能进一步提高。为了实现高电压增益，提高整个系统效率，变换器必须具有高增益、高效率的特点。因此光伏阵列需要通过一种高升压比三电平DC/DC变换器将较低的光伏阵列输出电压提升到后级逆变器需要的直流母线电压等级。另外，为了延长光伏电池的使用寿命，前级DC/DC变换器的输入电流纹波要尽量小，因此研究出一种新型高性能且具有更大升压变比和较小电流纹波的DC/DC变换器，有着重大的理论意义和现实价值。例如，文献[1]S.ChoiV.G.AgelidisJ.Yang1D.CoutellierP.Marabeas4.Analysis,designandexperimentalresultsofafloating-outputinterleaved-inputboost-derivedDC–DChigh-gaintransformer-lessconverter.IEEEPowerElectron,2011,Vol.4,pp.168-180.该文所述的悬浮交错升压变换器结构，是一种高性能升压变换器，但是存在开关管承受电压应力和二极管承受电压应力高的问题(电压应力等于输出电压)。
技术实现思路
为了克服现有技术中的不足，本专利技术的目的在于提出一种高性能的高升压比悬浮交错三电平DC/DC变换器及其控制方法，这种变换器既能提高升压变比，又能有效的降低变换器开关管的电压应力，减小电流纹波，增大变换器应用的功率等级，提高变换器的效率。这种高升压比和高效率变换器适用常规DC/DC变换器应用场合，也适用太阳能光伏等新能源发电系统。为了解决上述存在的技术问题，本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种高升压比悬浮交错三电平DC/DC变换器，包括一个直流输入电源Uin、第一升压电感L1、第二升压电感L2、四个开关管S1、S2、S3、S4、四个单向整流二极管D1、D2、D3、D4、第一输出电容C1、第二输出电容C2、第一飞跨电容Cb1和第二飞跨电容Cb2，悬浮交错三电平变换器上下为结构对称；具体连接方式为：第一升压电感L1的一端与输入电源Uin的正极连接，第一升压电感L1的另一端与第一开关管S1的集电极连接，同时连接到第二二极管D2的阳极，输入电源Uin的负极和第二开关管S2的发射极连接，同时连接到输出电容C1的一端；第二升压电感L2的一端与输入电源Uin的负极连接，第二升压电感L2的另一端与第四开关管S4的发射极连接，同时连接到第二二极管D2的阴极，输入电源Uin的正极和第三开关管S3的集电极连接，同时连接到输出电容C2的一端；第一开关管S1的集电极分别连接到第一升压电感L1的一端和第二二极管D2的阳极，第一开关管S1的发射极和第二开关管S2的集电极连接，同时连接到第一飞跨电容Cb1的一端，第四开关管S4的集电极分别连接到第三开关管S3的发射极和第二飞跨电容Cb2的一端，第四开关管S4的发射极分别连接到第二升压电感L2的一端和第三二极管D3的阴极；第一飞跨电容Cb1的一端分别连接到第一二极管D1的阳极和第二二极管D2的阴极，第一飞跨电容Cb1的另一端分别连接到第一开关管S1的发射极和第二开关管S2的集电极，第二飞跨电容Cb2的一端分别连接到第三二极管D3的阳极和第四二极管D4的阴极，第二飞跨电容Cb2的另一端分别连接到第三开关管S3的发射极和第四开关管S4的集电极，第一输出电容C1的一端分别连接到第一二极管D1的阴极和输出端的正极，第一输出电容C1的另一端分别连接到第二开关管S2的发射极和输入电源的负极，第二输出电容C2的一端分别连接到第四二极管D4的阳极和输出端的负极，第二输出电容C2的另一端分别连接到第三开关管S3的集电极和输入电源的正极。所述四个开关管S1、S2、S3、S4采用IGBT或功率MOSFET。所述一种高升压比悬浮交错三电平DC/DC变换器的控制方法为：所述高升压比悬浮交错三电平DC/DC变换器的四个开关管S2、S3、S1、S4的驱动信号依次移相π/2相角，即假设第二开关管S2先触发导通，第三开关管S3在1/4周期时触发导通，第一开关管S1在2/4周期时触发导通，第四开关管S4在3/4周期时触发导通；当占空比D变化时，所述高升压比悬浮交错三电平DC/DC变换器的升压比即电压增益为：U0/Uin＝(1+D)/(1-D)，四个开关管S1、S2、S3、S4的导通占空比都是D。由于采用上述技术方案，本专利技术提供的一种高升压比悬浮交错三电平DC/DC变换器，与现有技术相比具有这样的有益效果：(1)本专利技术高升压比三电平DC/DC变换器上下两桥臂都是Boost三电平结构，是将两个Boost三电平悬浮交错连接在一起，得到性能非常优良的新型变换器，优势体现在高升压比、应用功率等级高的电路；(2)本专利技术高升压比三电平DC/DC变换器具有器件电压应力小和效率高的特点。本专利技术中，所述的四个开关管采用功率MOSFET或IGBT,四个开关管S2、S3、S1、S4的驱动信号依次移相π/2相角，即存在同桥臂开关管同时关断的时间段，开关管承受的电压应力低，相当于只用单个开关管承受电压应力的一半。文献[1]所述的变换器的结构可分为上下桥臂，是由两个Boost悬浮交错构成，拥有高升压、高效率的优点。本专利技术的变换器在文献[1]提出的变换器的基础上，将两个Boost三电平变换器悬浮交错连接，既能拥有前者优点，又进一步减小开关管应力，减小输出电压电流纹波，还可以大大减小储能元件如滤波电感、滤波电容的大小，提高变换器的动态响应，从而优化整个系统的动态性能。本专利技术变换器由于输入输出不共地，因此，前级发生故障时，由于中间有缓冲电路的缓冲作用，后级电路不会直接受干扰。与常规的Boost三电平变换器相比，本专利技术的高升压比三电平DC/DC变换器在相同的占空比的情况下具有更大的升压比。与悬浮交错Boost变换器相比，本专利技术的高升压比三电平DC/DC变换器在相同占空比的情况下，其具有开关管的电压应力更低，交错形式可减小输入电流纹波，适合宽输入电压范围，开关管控制方法灵活多样等突出优点，非常适用于光伏电池等可再生能源并网发电系统，具有较好的应用和推广前景。附图说明图1是本专利技术高升压比悬浮交错三电平DC/DC变换器的整体电路原理图；图2是该变换器四个开关管的脉冲序列图；图3是该变换器上桥臂在0＜D≤0.5的工作模态；图4是该变换器上桥臂在0.5＜D≤1的工作模态；图5是该变换器上下桥臂在交错控制下的工作状态；图6是该变换器输入电压和输出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高升压比悬浮交错三电平DC/DC变换器，其特征在于：包括一个直流输入电源(Uin)、第一升压电感(L1、)第二升压电感(L2、)四个开关管(S1、S2、S3、S4)、四个单向整流二极管(D1、D2、D3、D4)、第一输出电容(C1)、第二输出电容(C2)、第一飞跨电容(Cb1)和第二飞跨电容(Cb2)，悬浮交错三电平变换器上下为结构对称；具体连接方式为：第一升压电感(L1)的一端与输入电源(Uin)的正极连接，第一升压电感(L1)的另一端与第一开关管(S1)的集电极连接，同时连接到第二二极管(D2)的阳极，输入电源(Uin)的负极和第二开关管(S2)的发射极连接，同时连接到输出电容(C1)的一端；第二升压电感(L2)的一端与输入电源(Uin)的负极连接，第二升压电感(L2)的另一端与第四开关管(S4)的发射极连接，同时连接到第二二极管(D2)的阴极，输入电源(Uin)的正极和第三开关管(S3)的集电极连接，同时连接到输出电容(C2)的一端；第一开关管(S1)的集电极分别连接到第一升压电感(L1)的一端和第二二极管(D2)的阳极，第一开关管(S1)的发射极和第二开关管(S2)的集电极连接，同时连接到第一飞跨电容(Cb1)的一端，第四开关管(S4)的集电极分别连接到第三开关管(S3)的发射极和第二飞跨电容(Cb2)的一端，第四开关管(S4)的发射极分别连接到第二升压电感(L2)的一端和第三二极管(D3)的阴极；第一飞跨电容(Cb1)的一端分别连接到第一二极管(D1)的阳极和第二二极管(D2)的阴极，第一飞跨电容(Cb1)的另一端分别连接到第一开关管(S1)的发射极和第二开关管(S2)的集电极，第二飞跨电容(Cb2)的一端分别连接到第三二极管(D3)的阳极和第四二极管(D4)的阴极，第二飞跨电容(Cb2)的另一端分别连接到第三开关管(S3)的发射极和第四开关管(S4)的集电极，第一输出电容(C1)的一端分别连接到第一二极管(D1)的阴极和输出端的正极，第一输出电容(C1)的另一端分别连接到第二开关管(S2)的发射极和输入电源的负极，第二输出电容(C2)的一端分别连接到第四二极管(D4)的阳极和输出端的负极，第二输出电容(C2)的另一端分别连接到第三开关管(S3)的集电极和输入电源的正极。...

【技术特征摘要】
1.一种高升压比悬浮交错三电平DC/DC变换器，其特征在于：包括一个直流输入电源(Uin)、第一升压电感(L1、)第二升压电感(L2、)四个开关管(S1、S2、S3、S4)、四个单向整流二极管(D1、D2、D3、D4)、第一输出电容(C1)、第二输出电容(C2)、第一飞跨电容(Cb1)和第二飞跨电容(Cb2)，悬浮交错三电平变换器上下为结构对称；具体连接方式为：第一升压电感(L1)的一端与输入电源(Uin)的正极连接，第一升压电感(L1)的另一端与第一开关管(S1)的集电极连接，同时连接到第二二极管(D2)的阳极，输入电源(Uin)的负极和第二开关管(S2)的发射极连接，同时连接到输出电容(C1)的一端；第二升压电感(L2)的一端与输入电源(Uin)的负极连接，第二升压电感(L2)的另一端与第四开关管(S4)的发射极连接，同时连接到第二二极管(D2)的阴极，输入电源(Uin)的正极和第三开关管(S3)的集电极连接，同时连接到输出电容(C2)的一端；第一开关管(S1)的集电极分别连接到第一升压电感(L1)的一端和第二二极管(D2)的阳极，第一开关管(S1)的发射极和第二开关管(S2)的集电极连接，同时连接到第一飞跨电容(Cb1)的一端，第四开关管(S4)的集电极分别连接到第三开关管(S3)的发射极和第二飞跨电容(Cb2)的一端，第四开关管(S4)的发射极分别连接到第二升压电感(L2)的一端和第三二极管(D3)的阴极；第一飞跨电容(Cb1)的一端分别连接到第一二极管(D1)的阳极和第二二极管(D2)的阴极，第一飞跨电容(Cb1)的另一端分别连接到第一开关管(...

【专利技术属性】
技术研发人员：张纯江，汪伟光，刘凡齐，赵晓君，徐美娜，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北,13