CN104506036B - 适用于光伏发电场合的双电源输入直流‑直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于光伏发电场合的双电源输入直流‑直流变换器，耦合电感第一绕组的第一端与第一电源的正极相连，第一绕组的第二端与功率开关管的漏极及箝位开关管的源极相连；耦合电感第二绕组的第一端与功率开关管的漏极相连，耦合电感第二绕组的第二端与倍压电容的第一端相连，倍压电容的第二端与输出二极管的阳极相连，输出二极管的阴极与输出电容的第一端及负载电阻的第一端相连；第二电源的正极与续流二极管的阳极相连，续流二极管的阴极与输出二极管的阳极相连，第二电源的负极与第一电源的负极相连。本发明的双电源输入直流‑直流变换器克服了单电源输入、效率低和系统输功率存在波动的缺点。

Description

适用于光伏发电场合的双电源输入直流-直流变换器

技术领域

本发明涉及一种直流—直流变换器，具体说是适用于光伏发电场合的双电源输入直流-直流变换器。

背景技术

在太阳能发电系统中，同时存在晶硅电池和薄膜电池两种光伏电池组件。晶硅电池的输出电压较低而电流较大，薄膜电池的输出电压较高而电流较小。但一般而言，晶硅电池与薄膜电池都达不到逆变并网发电所需的电压，需要升压装置把光伏电池的电压转换为适合并网的高压直流。在分布式太阳能发电方案中，单块太阳能电池的功率容量较小，但对效率的要求较高。因此如何实现高效率且结构简单的单相单级变换器，对于推动光伏产业的发展具有重要意义。

常规的单相单管升压型(Boost)直流－直流变换器的电压增益仅有占空比决定，电压增益有限，难以满足高增益的变换要求。功率开关管的电压应力较大，难以采用低压高性能的开关管来降低导通损耗。而且，变换器工作在硬开关状态，开关损耗较大。为了实现Boost变换器的软开关动作，近年来，相继研究了一些通过附加有源功率开关或无源器件的软开关方案，这些电路虽然实现了软开关动作，但是不能降低开关管的电压应力，也不能实现系统的高增益变换。为了提升变换器的电压增益，一种方案是采用开关电容的方案，但这种方案所需开关管数量较多，增加了系统成本；另外的方案是采用复杂的三绕组耦合电感方案，这种方案的缺点是耦合电感结构复杂，不利于工业加工，难以保证电路的一致性。

并且常规的变换器往往只能单输入，实现一块电池的变换与最大功率点跟踪，如果在大范围使用光伏组件时，为实现每个组件的MPPT要为每个组件配备独立的变换器，使系统变得复杂，同时常规变换器也很难同时满足两种光伏组件同时使用的要求。

同时光伏电池输出受环境影响很大，往往需要加入储能环节，需要而外的变换器从蓄电池处得到能量以实现功率的平稳输出，更增加了系统的复杂度。

发明内容

本发明要克服常规的单相直流－直流变换器的单电源输入、效率低和系统输功率存在波动的缺点，提供一种结构简单，控制方便且适用于光伏发电场合的双电源输入直流-直流变换器。

适用于光伏发电场合的双电源输入直流-直流变换器，耦合电感第一绕组的第一端与第一电源的正极相连，第一绕组的第二端与功率开关管的漏极及箝位开关管的源极相连，箝位开关管的漏极与箝位电容的第一端相连，功率开关管的源极与箝位电容的第二端及第一电源的负极相连；

耦合电感第二绕组的第一端与功率开关管的漏极相连，耦合电感第二绕组的第二端与倍压电容的第一端相连，倍压电容的第二端与输出二极管的阳极相连，输出二极管的阴极与输出电容的第一端及负载电阻的第一端相连，输出电容的第二端与负载电阻的第二端及第一电源的负极相连；

第二电源的正极与续流二极管的阳极相连，续流二极管的阴极与输出二极管的阳极相连，第二电源的负极与第一电源的负极相连。

进一步地，第一电源与第二电源中的一个或两个可为光伏组件或蓄电池。

本发明所提出的变换器工作时，利用耦合电感的变压器效应拓展了变换器电压增益，降低了功率开关管的电压应力，降低了功率器件的导通损耗。倍压电路单元的引入进一步提高了电路的电压增益和降低了器件的电压应力；利用耦合电感的漏感实现了功率开关管的零电压开通，使全部开关管都实现软开关，并且吸收的漏感能量最终传递到负载，实现无损吸收。本发明的优点是结构简单，控制方便，电路中无能量损耗元件，可提高电路的效率。耦合电感在对应的开关管开通和关断时都传递能量，提高了耦合电感的利用率，降低了耦合电感的体积。变换器实现两个光伏组件同时输入，并且两个光伏组件都可以负极接地，避免了串联带来的高压问题，该变换器尤其适合低压的晶硅组件和高压的薄膜组件混合使用的情况。该变换器还可以实现一个光伏组件与一个蓄电池的同时输入，以保证功率的平稳输出，解决光伏系统受环境影响大的难题。本发明适用于小功率、高效率和稳定输出的光伏并网发电变换场合。

附图说明

图1是本发明的电路图。

具体实施方式

参见图1，本发明的适用于光伏发电场合的双电源输入直流-直流变换器中，耦合电感第一绕组L1的第一端与第一电源Vin1的正极相连，第一绕组L₁的第二端与功率开关管S的漏极及箝位开关管Sc的源极相连，箝位开关管Sc的漏极与箝位电容Cc的第一端相连，功率开关管S的源极与箝位电容Cc的第二端及第一电源Vin1的负极相连。

耦合电感第二绕组L2的第一端与功率开关管S的漏极相连，耦合电感第二绕组L2的第二端与倍压电容Cm的第一端相连，倍压电容Cm的第二端与输出二极管Do的阳极相连，输出二极管Do的阴极与输出电容Co的第一端及负载电阻Ro的第一端相连，输出电容Co的第二端与负载电阻Ro的第二端及第一电源Vin的负极相连。

第二电源Vin2的正极与续流二极管Dr的阳极相连，续流二极管Dr的阴极与输出二极管Do的阳极相连，第二电源Vin2的负极与第一电源Vin1的负极相连。

第一电源Vin1与第二电源Vin2中的一个或两个可为光伏组件或蓄电池。

适用于光伏发电场合的双电源输入直流-直流变换器在一个开关周期内有四种工作过程，即功率开关管S导通状态，功率开关管S关断与箝位开关管Sc导通之间的换流过程，箝位开关管Sc导通状态，箝位开关管Sc关断与开率开关管S导通之间的换流过程

功率开关管S导通状态：此时箝位开关管Sc与输出二极管Do处于关断状态。由第一电源Vin1向励磁电感充电，由第二电源与第一电源共同向倍压电容Cm充电。此时功率开关管的电流包括两部分，即第一绕组电流和第二绕组电流。

功率开关管S关断与箝位开关管Sc导通之间的换流过程：功率开关管S关断时，电流会通过箝位开关管Sc的体二极管向箝位电容Cc充电，关断电压被箝位电容所箝位，因此不会在功率开关管S上产生关断电压尖峰。之后将开通信号加于箝位开关管Sc的门极使其开通，实现了开关管的零电压开通。续流二极管Dr的电流会迅速下降到零。

箝位开关管Sc导通状态：之后，由箝位电容Cc、倍压电容Cm、漏感形成谐振，在谐振过程中，箝位电容Cc的电压持续上升，到一定程度可以使输出二极管Do导通，开始向负载传递能量。存在励磁电感与倍压电容Cm中的能量持续向输出电容Co转移。一段时间后，箝位电容电压达到峰值后开始下降，耦合电感的漏感电流反向。

箝位开关管Sc关断与开率开关管S导通之间的换流过程：给箝位开关管Sc的门极施加关断信号使其关断，则电流通过主开关管续流，此时再施加导通信号到功率开关管S使其开通，实现了零电压开通的软开关过程。

之后又回到了初始功率开关管S导通的稳定工作状态。

通过调节耦合电感的匝比与功率开关管S的占空比来决定第一电源Vin1与第二电源Vin2所出能量的比例，在输出功率不变时，当占空比调大时，第一电源Vin1输出能量比例上升而电第二电源Vin2输出能量下降。反之当占空比调小时，第一电源Vin1输出能量比例下降而第二电源Vin2输出能量上升；当耦合电感匝比变大时，第一电源Vin1输出能量比例上升，反之，当耦合电感匝比变小时，第一电源Vin1输出能量比例下降。

从电压的适配上讲，第一电源适用于晶硅光伏电池或蓄电池，而第二电源最适用于薄膜光伏电池。

Claims (2)

1.一种适用于光伏发电场合的双电源输入直流-直流变换器，其特征在于：

耦合电感第一绕组(L1)的第一端与第一电源(Vin1)的正极相连，第一绕组(L₁)的第二端与功率开关管(S)的漏极及箝位开关管(Sc)的源极相连，箝位开关管(Sc)的漏极与箝位电容(Cc)的第一端相连，功率开关管(S)的源极与箝位电容(Cc)的第二端及第一电源(Vin1)的负极相连；

耦合电感第二绕组(L2)的第一端与功率开关管(S)的漏极相连，耦合电感第二绕组(L2)的第二端与倍压电容(Cm)的第一端相连，倍压电容(Cm)的第二端与输出二极管(Do)的阳极相连，输出二极管(Do)的阴极与输出电容(Co)的第一端及负载电阻(Ro)的第一端相连，输出电容(Co)的第二端与负载电阻(Ro)的第二端及第一电源(Vin1)的负极相连；

第二电源(Vin2)的正极与续流二极管(Dr)的阳极相连，续流二极管(Dr)的阴极与输出二极管(Do)的阳极相连，第二电源(Vin2)的负极与第一电源(Vin1)的负极相连。

2.根据权利要求1所述的适用于光伏发电场合的双电源输入直流-直流变换器，其特征在于：第一电源(Vin1)与第二电源(Vin2)中的一个或两个可为光伏组件或蓄电池。