[发明专利]多级单开关升压变换器

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种多级单开关升压变换器。

背景技术

在可再生能源并网发电中，光伏发电和燃料电池发电的角色举足轻重，然而太能板和燃料电池的输出电压都相对较低，不足以达到并网发电的目的。因此，具有较大升压比的DC-DC升压变换器变得极为重要。另外，为了适用于工程领域，这类升压变换器还要同时具有较小的体积、较高的功率密度和较高的效率。

目前，在新能源并网发电领域，应用较多的还是传统的Boost变换器，然而实际应用中，它的升压能力有限，仅为输入电压的6倍，若要继续增大输出电压，则要增大占空比，这样一来会引起如下问题：①有源开关管及二极管的电压、电流应力大；②开关损耗、二极管反向恢复损耗大，导致变换效率低；③dv/dt大，导致EMI严重；④抗输入电压扰动能力及动态性能差。

为了提高电压增益和变换器性能，国内外很多专家学者们致力于高增益变换器拓扑的研究工作。目前的装置虽然能实现较好的升压作用，但是拓扑结构较复杂，控制电路设计困难，且电感元件较多，变换器体积大。现有的n级级联型Boost变换器，虽然能实现较高的升压能力，但是开关管电压应力较高，等于输出电压，影响了变换器工作效率。有人提出了Z源变换器拓扑，采用一个独特的阻抗网络，将变换器主电路和电源耦合在一起，得到传统的电压源和电流源变换器所不能得到的独特特性，提供了一个新颖的功率变换概念，克服了传统的电压源和电流源变换器的不足，但是存在升压能力不足、启动冲击较严重、输入电流断续造成直流电压利用率低等方面的不足。采用级联准Z源阻抗网络的方法实现电压增益的提高，变换效率较高，但主电路拓扑及控制电路较复杂，如何确保级联准Z源阻抗网络的稳定工作也相对困难，且电路中电感元件较多，体积大。现有的基于Cuk变换器和Sepic变换器，采用电压自举技术实现升压作用，虽然输入电流纹波和输出电压纹波较小，控制电路简单，但是升压能力有限。目前还有针对燃料电池发电系统提出使用耦合电感构建高升压变换器，耦合电感的使用会引起开关器件电压应力过高，导致变换器工作损耗较大，效率低，且有源开关元件较多，成本高。也有的文献记载的方案虽然能实现较好的升压作用，但是拓扑较为复杂，控制电路设计困难，且输入电压利用率低，输出电压纹波大。

因而，针对新能源发电领域中对变换器的需求，亟需升压能力强，控制电路简单，易于集成的升压变换器。

发明内容

本文在传统Boost变换器的基础上，提出了一种多级单开关升压变换器。该变换器由Boost升压电路和若干个Switch-Capacitor网络组成，其中每一个Switch-Capacitor网络所贡献的电压相等，并通过交错串联的方式实现多个网络电压的累加，提高输出电压，升压能力强。变换器只有一个有源开关元件，控制电路简单，且开关管电压应力小，为输入电压的1/(1-D)倍；每个Switch-Capacitor网络中的电容电压大小相等，为输入电压的1/(1-D)倍，电容电压应力小，减小了电路体积，且容易集成。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种多级单开关升压变换器，

包括前级Boost升压网络和若干个Switch-Capacitor网络；其中前级Boost升压网络的拓扑结构如下：有源开关管S的漏极通过电感L连接电源U_in的正极，有源开关管S的源极连接电源U_in的负极；二极管D₁₁的阴极与电容C₁₂的正极串联，电容C₁₂的负极与二极管D₁₂的阴极连接，二极管D₁₂的阳极串联电容C₁₁的负极，电容C₁₁的正极与二极管D₁₁的阳极连接；有源开关管S的漏极还连接到电容C₁₁正极与二极管D₁₁阳极间的连接点，有源开关管S的源极还连接到电容C₁₂负极与二极管D₁₂阴极间的连接点。