CN114744876B - 光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光伏发电用零电流纹波Buck‑Boost变换器，涉及光伏技术领域，该Buck‑Boost变换器中的有源钳位结构不仅仅实现了漏感能量循环与限制电压尖峰，同时与电容C4和电感L0共同构成输入电流零纹波电路，在输入电流大于耦合电感原边绕组L1电流时，可以释放多余的电流到电容，在输入电流小于耦合电感原边绕组L1电流时，可以补充不足的电流，保证了输入零电流纹波的实现。具有高电压增益、输入电流连续、输入电流纹波低、输出电压纹波低、耦合变压器绕组感值小的特点，从而有效提高了光伏发电能量的传送效率，有效提高了光伏发电电池板的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及光伏技术领域，尤其是一种光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器。
背景技术
近年来，化石燃料造成的环境污染愈加严重，专家学者开始对太阳能、风能等清洁能源进行应用，其中太阳能已经得到广泛应用。但光伏发电输出级电压低，需要进行DC-DC升压过程才能并网。因此，高增益DC-DC升压变换器在新能源发电中发挥着不可获取的作用，传统的Boost变换器已经很难满足光伏技术的使用需求。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器，本发明的技术方案如下：
一种光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器，在该光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器中，耦合电感原边绕组L1的第一端连接耦合电感副边绕组L2的第一端、导通开关管S的第一端和辅助开关管Sb的第一端，耦合电感原边绕组L1的第二端连接输出电容Co2的第一端、续流二极管D2的阳极、续流二极管D3的阴极、输出电容Co1的第一端以及输入电源Vin的负极；续流二极管D2的阴极连接续流二极管D1的阳极以及电容C2的第一端，续流二极管D1的阴极连接输出电容Co2的第二端并连接负载R的一端；导通开关管S的两端跨接有反并联二极管和寄生电容，辅助开关管Sb的两端跨接有反并联二极管和寄生电容；
耦合电感副边绕组L2的第二端连接电容C2的第二端以及电容C3的第一端，电容C3的第二端连接续流二极管D3的阳极以及输出二极管Do的阴极，输出二极管Do的阳极连接输出电容Co1的第二端以及负载R的另一端；
输入电源Vin的正极连接电感L0的第一端，电感L0的第二端连接导通开关管S的第二段，电感L0的第二端还通过电容C1连接辅助开关管Sb的第二端；电容C4的一端连接输入电源Vin的负极、另一端连接辅助开关管Sb的第二端；导通开关管S和辅助开关管Sb在光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器的一个工作周期内交替导通；
辅助开关管Sb与电容C1形成有源钳位电路，有源钳位电路与电容C4、电感L0和耦合电感原边绕组L1形成输入电流零纹波电路。
其进一步的技术方案为，当输入电流大于耦合电感原边绕组L1的电流时，输入电流零纹波电路释放多余的电流到电容给电容充电；当输入电流小于耦合电感原边绕组L1的电流时，输入电流零纹波电路中的电容放电以补足不足的电流。
其进一步的技术方案为，输入电流的纹波与电容C1的电压纹波和电容C4的电压纹波成正比、与电感L0的感值呈反比，输入电流的纹波与电容C1的容值、电容C4的容值和电感L0的感值相关，而与耦合电感原边绕组L1的感值无关。
其进一步的技术方案为，耦合电感原边绕组L1的感值小于第一预定阈值，电感L0的感值小于第二预定阈值且采用平面电感设计方式。
其进一步的技术方案为，在光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器的一个工作周期内，从t0时刻开始辅助开关管Sb保持关断、导通开关管S零电流导通直至t3时刻，t3时刻至t4时刻内辅助开关管Sb和导通开关管S均保持关断，t4时刻开始辅助开关管Sb导通、导通开关管S关断，直至t7时刻开始辅助开关管Sb和导通开关管S均关断，直至当前工作周期结束。
其进一步的技术方案为，在t3时刻导通开关管S关断，导通开关管S的寄生电容开始充电并被电容C1钳位，辅助开关管Sb的寄生电容开始放电，电容C1和电容C4放电，当辅助开关管Sb两端电压减少至零时，辅助开关管Sb两端的反并联二极管开始导通。
其进一步的技术方案为，在t7时刻辅助开关管Sb关断，导通开关管S的寄生电容开始放电，直至导通开关管S的反并联二极管导通，同时辅助开关管Sb的寄生电容充电，输入电源Vin与电感L0和电容C1串联给电容C4充电。
其进一步的技术方案为，在t0时刻到t3时刻的导通开关管S导通期间，光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器依次经历第一模态、第二模态和第三模态：
第一模态：耦合电感原边绕组L1和耦合电感副边绕组L2的电流续流，电容C3与耦合电感副边绕组L2、输出电容Co2串联给负载R供电；电容C3与耦合电感副边绕组L2和输入电源Vin串联给输出电容Co1充电，输入电源Vin与电感L0和电容C1串联给电容C4充电，当耦合电感原边绕组L1的电流为零时，第一模态结束；
第二模态：耦合电感原边绕组L1的电流增大，耦合电感副边绕组L2的电压被输出电压Vo、电容C3的电压和输入电源Vin钳位，输入电源Vin与电感L0和电容C1串联给电容C4充电，当耦合电感副边绕组L2的电流为零时，第二模态结束；
第三模态：输出二极管Do和续流二极管D2零电流关断，续流二极管D1和续流二极管D3零电流导通，输入电源Vin给耦合线圈漏感LK和磁化电感LM充电，电容C1和电容C4放电，输入电源Vin与耦合电感副边绕组L2串联给电容C3充电，输入电源Vin与耦合电感副边绕组L2串联给输出电容Co2充电，直至导通开关管S的关断信号来临时，第三模态结束。
其进一步的技术方案为，在t4时刻到t7时刻的辅助开关管Sb导通期间，光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器依次经历第五模态、第六模态和第七模态：
第五模态：耦合线圈漏感LK的能量转移到电容C1中，输入电源Vin与电感L0和电容C1串联给电容C4充电，当耦合电感副边绕组L2的电流减小至零时，第五模态结束；
第六模态：耦合电感副边绕组L2和耦合电感原边绕组L1串联给电容C2充电，耦合电感副边绕组L2和耦合电感原边绕组L1以及电容C3串联给输出电容Co1充电，并与输出电容Co2串联给负载R供电；输入电源Vin与电感L0和电容C1串联给电容C4充电，当耦合电感原边绕组L1的电流减小至零时，第六模态结束；
第七模态：耦合电感原边绕组L1的电流反向增大，电容C1放电，耦合电感副边绕组L2与输入电源Vin以及电容C1串联给电容C2充电，耦合电感副边绕组L2与输入电源Vin以及电容C1、电容C3串联给输出电容Co1充电；耦合电感副边绕组L2与输入电源Vin以及电容C1、电容C3和输出电容Co2串联给负载R供电；输入电源Vin与电感L0和电容C1串联给电容C4充电，直至辅助开关管Sb的关断信号来临时，第七模态结束。
其进一步的技术方案为，在考虑器件的寄生参数的作用的情况下，输出电容Co1两端的电压和输出电容Co2两端的电压的电压差为0。
本发明的有益技术效果是：
本申请公开了一种光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器，该变换器中的有源钳位结构不仅仅实现了漏感能量循环与限制电压尖峰，同时与电容C4和电感L0共同构成输入电流零纹波电路，在输入电流大于耦合电感原边绕组L1电流时，释放多余的电流到电容，在输入电流小于耦合电感原边绕组L1电流时，补充不足的电流，保证了输入零电流纹波的实现。由于输入电流的电流纹波与耦合电感原边绕组L1无关，因此可以降低耦合电感原边绕组L1的感值，降低变压器损耗，有利于克服传统Buck-Boost三电平电压低、输入电流断续、输入电流纹波大的问题，使得该Buck-Boost变换器具有高电压增益、输入电流连续、输入电流纹波低、输出电压纹波低、耦合变压器绕组感值小的特点，由于光伏发电电池板的使用寿命严重受到其电流纹波的影响，本申请的Buck-Boost变换器由于输入电流纹波极低，有效提高了光伏发电能量的传送效率，有效提高了光伏发电电池板的使用寿命。
通过增加电容C4、C1的容值可以在保证输入电流的电流纹波较低的基础上进一步降低电感L0的感值，因此电感L0可以采用平面电感设计，有效提高了该Buck-Boost变换器的功率密度。
本申请的Buck-Boost变换器设计消除了传统Buck-Boost三电平变换器中的器件的寄生参数对输出电压的影响，使两个输出电容电压差不受任何器件寄生参数影响，完全消除了两个输出电容电压静差，具有绝对的自我平衡能力。采用输入电源和中性点共地结构，减小了光伏板寄生电容引起的漏电流，具有安全性高、EMI小的特点。
另外该Buck-Boost变换器克服了传统Buck-Boost三电平由于占空比必须大于0.5引起输出电压纹波与占空比等于0.75对称，造成输出电压纹波较大的问题，并通过设计占空比接近0.5的特殊设计，实现输出电压零纹波，可使用低压小容值CBB电容代替高电压大容值电解电容，从而减小输出电容体积，缩减成本，有效提高***使用寿命。
附图说明
图1是一个实施例中的光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器的电路图。
图2是图1所示的电路图的简化后的等效电路图。
图3是一个实施例的光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器在一个开关周期的工作波形图。
图4是一个实施例中的光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器在第一模态时基于图2的电流流通示意图。
图5是一个实施例中的光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器在第二模态时基于图2的电流流通示意图。
图6是一个实施例中的光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器在第三模态时基于图2的电流流通示意图。
图7是一个实施例中的光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器在第四模态时基于图2的电流流通示意图。
图8是一个实施例中的光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器在第五模态时基于图2的电流流通示意图。
图9是一个实施例中的光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器在第六模态时基于图2的电流流通示意图。
图10是一个实施例中的光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器在第七模态时基于图2的电流流通示意图。
图11是一个实施例中的光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器在第八模态时基于图2的电流流通示意图。
图12是一个实施例中的光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器的电容C1、电容C4、电感L0两端电压的电压波形图。
图13是一个实施例中的光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器在不同的电感L0的感值下的输入电流的电流纹波的波形对比图。
图14是一个实施例中的光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器的电压增益与工作周期的占空比之间的关系图。
图15是一个实施例中的两个输出电容两端的电压的电压差与工作周期的占空比之间的关系图。
图16-18是一个实例中的光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器的工作波形实测图。
图19是一个实例中，在输入电压Vin＝20V，输出电压Vo＝200V时，两个输出电容Co1和Co2两端的电压和/>的电压纹波的波形图。
图20是一个实例中，在输入电压Vin＝20V，输出电压Vo＝200V时，输出电压Vo的电压纹波的波形示意图。
图21是一个实例中，在输入电压Vin＝20V，输出电压Vo＝200V时，电感L0的电流的电流纹波的波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器，在该变换器中，如图1所示，耦合电感原边绕组L1的第一端连接耦合电感副边绕组L2的第一端、导通开关管S的第一端和辅助开关管Sb的第一端，耦合电感原边绕组L1的第二端连接输出电容Co2的第一端、续流二极管D2的阳极、续流二极管D3的阴极、输出电容Co1的第一端以及输入电源Vin的负极。续流二极管D2的阴极连接续流二极管D1的阳极以及电容C2的第一端，续流二极管D1的阴极连接输出电容Co2的第二端并连接负载R的一端。导通开关管S的两端跨接有反并联二极管和寄生电容，辅助开关管Sb的两端跨接有反并联二极管和寄生电容。
耦合电感副边绕组L2的第二端连接电容C2的第二端以及电容C3的第一端，电容C3的第二端连接续流二极管D3的阳极以及输出二极管Do的阴极，输出二极管Do的阳极连接输出电容Co1的第二端以及负载R的另一端。
输入电源Vin的正极连接电感L0的第一端，电感L0的第二端连接导通开关管S的第二段，电感L0的第二端还通过电容C1连接辅助开关管Sb的第二端；电容C4的一端连接输入电源Vin的负极、另一端连接辅助开关管Sb的第二端。
在该变换器中，L1、L2、Do、D1、D2、D3、Co1、Co2、C2、C3构成耦合电感三电平升压单元。Vin、R、S构成基础的Buck-Boost变换电路。辅助开关管Sb与电容C1形成有源钳位电路。该有源钳位电路与电容C4、电感L0和耦合电感原边绕组L1形成输入电流零纹波电路。
图1的光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器的等效电路图如图2所示，图2中未详细示出各个器件的寄生参数。实际上，输入电源Vin实际等效为输入电源Vin与等效内阻Rin的串联结构。导通开关管S等效为开关管S及其导通电阻RDS的串联结构。辅助开关管Sb等效为辅助开关管Sb及其导通电阻的串联结构。耦合电感原边绕组L1等效为理想变压器的耦合电感原边绕组L1及其等效电阻/>和漏感LK1的串联结构。耦合电感副边绕组L2等效为理想变压器的耦合电感副边绕组L2及其等效电阻/>和漏感LK2的串联结构，N是耦合电感原边绕组L1与耦合电感副边绕组L2的匝数比。每个续流二极管等效为该续流二极管及其电压降Vd和导通内阻Rd的串联结构，且各个续流二极管的电压降Vd以及导通内阻Rd均相等。图2为了简化，将耦合电感原边绕组L1和耦合电感副边绕组L2等效为：耦合线圈漏感LK连接在耦合电感原边绕组L1和耦合电感副边绕组L2之间，磁化电感LM并联在耦合电感原边绕组L1两端。图2中的耦合线圈漏感LK实际包括耦合电感原边绕组L1的漏感LK1和耦合电感副边绕组L2的漏感LK2，其他器件的寄生参数暂时忽略不做考虑。图2还示出了电路中各个器件的正负端以及流过的电流方向和两端的电压。
在图1所示的光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器的一个工作周期内，导通开关管S和辅助开关管Sb交替导通，具体的，如图3所示。从t0时刻开始辅助开关管Sb保持关断、导通开关管S零电流导通直至t3时刻，t3时刻至t4时刻内辅助开关管Sb和导通开关管S均保持关断，t4时刻开始辅助开关管Sb导通、导通开关管S关断，直至t7时刻开始辅助开关管Sb和导通开关管S均关断，直至当前工作周期结束。在Ts时长的工作周期内，导通开关管S导通的时长为DTs、关断的时长为(1-D)Ts，因此导通开关管S导通的时长在整个工作周期内所占的比例、也即工作周期的占空比为D。该变换器在一个工作周期内的工作过程依次包括八个模态，在t0时刻到t3时刻的导通开关管S导通期间，光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器依次经历第一模态、第二模态和第三模态。在t3时刻至t4时刻内变换器处于第四模态。在t4时刻到t7时刻的辅助开关管Sb导通期间，光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器依次经历第五模态、第六模态和第七模态。从t7时刻开始至当前工作周期结束过程中，变换器处于第八模态：
1、第一模态：耦合电感原边绕组L1和耦合电感副边绕组L2的电流续流，电容C3与耦合电感副边绕组L2、输出电容Co2串联给负载R供电；电容C3与耦合电感副边绕组L2和输入电源Vin串联给输出电容Co1充电，输入电源Vin与电感L0和电容C1串联给电容C4充电，当耦合电感原边绕组L1的电流为零时，第一模态结束。变换器在第一模态下的等效电路图如图4所示，虚线箭头表示电流走向。
2、第二模态：耦合电感原边绕组L1的电流增大，耦合电感副边绕组L2的电压被输出电压Vo、电容C3的电压和输入电源Vin钳位，输入电源Vin与电感L0和电容C1串联给电容C4充电，当耦合电感副边绕组L2的电流为零时，第二模态结束。变换器在第二模态下的等效电路图如图5所示，虚线箭头表示电流走向。
3、第三模态：输出二极管Do和续流二极管D2零电流关断，续流二极管D1和续流二极管D3零电流导通，输入电源Vin给耦合线圈漏感LK和磁化电感LM充电，电容C1和电容C4放电，输入电源Vin与耦合电感副边绕组L2串联给电容C3充电，输入电源Vin与耦合电感副边绕组L2串联给输出电容Co2充电，直至导通开关管S的关断信号来临时，第三模态结束。变换器在第三模态下的等效电路图如图6所示，虚线箭头表示电流走向。
4、第四模态：在t3时刻导通开关管S关断，导通开关管S的寄生电容开始充电并被电容C1钳位，辅助开关管Sb的寄生电容开始放电，电容C1和电容C4放电，当辅助开关管Sb两端电压减少至零时，辅助开关管Sb两端的反并联二极管开始导通。变换器在第四模态下的等效电路图如图7所示，虚线箭头表示电流走向。
5、第五模态：耦合线圈漏感LK的能量转移到电容C1中，输入电源Vin与电感L0和电容C1串联给电容C4充电，当耦合电感副边绕组L2的电流减小至零时，第五模态结束。变换器在第五模态下的等效电路图如图8所示，虚线箭头表示电流走向。
6、第六模态：耦合电感副边绕组L2和耦合电感原边绕组L1串联给电容C2充电，耦合电感副边绕组L2和耦合电感原边绕组L1以及电容C3串联给输出电容Co1充电，并与输出电容Co2串联给负载R供电；输入电源Vin与电感L0和电容C1串联给电容C4充电，当耦合电感原边绕组L1的电流减小至零时，第六模态结束。变换器在第六模态下的等效电路图如图9所示，虚线箭头表示电流走向。
7、第七模态：耦合电感原边绕组L1的电流反向增大，电容C1放电，耦合电感副边绕组L2与输入电源Vin以及电容C1串联给电容C2充电，耦合电感副边绕组L2与输入电源Vin以及电容C1、电容C3串联给输出电容Co1充电；耦合电感副边绕组L2与输入电源Vin以及电容C1、电容C3和输出电容Co2串联给负载R供电；输入电源Vin与电感L0和电容C1串联给电容C4充电，直至辅助开关管Sb的关断信号来临时，第七模态结束。变换器在第七模态下的等效电路图如图10所示，虚线箭头表示电流走向。
8、第八模态：在t7时刻辅助开关管Sb关断，导通开关管S的寄生电容开始放电，直至导通开关管S的反并联二极管导通，同时辅助开关管Sb的寄生电容充电，输入电源Vin与电感L0和电容C1串联给电容C4充电。变换器在第八模态下的等效电路图如图11所示，虚线箭头表示电流走向。
连续模式下电感L0的电压电容C1的电压/>以及电容C4的电压VC4的电压波形如图12所示。结合上述变换器的各个工作模态可以看出，在本申请的变换器中，有源钳位结构不仅仅实现了漏感能量循环与限制电压尖峰，同时与C4和L0共同构成输入电流零纹波电路，当输入电流大于耦合电感原边绕组L1的电流时，输入电流零纹波电路释放多余的电流到电容给电容充电；当输入电流小于耦合电感原边绕组L1的电流时，输入电流零纹波电路中的电容放电以补足不足的电流，由此保证了输入电流的零纹波。
传统的Buck-Boost三电平输入电流断续，输入电流纹波由变压器原边绕组决定，因此为了获得较小的电流纹波会将变压器原边绕组的感值取得很大，常常具有输入电流纹波大、耦合电感变压器体积和损耗大、功率密度低的缺点。而本申请的Buck-Boost变换器由于输入电流零纹波电路的存在，输入电流的纹波即为电感L0的电流纹波，可以写为：
因此可以看出，本申请的变换器的输入电流的纹波与电容C1的电压纹波ΔVC1和电容C4的电压纹波ΔVC4成正比、与电感L0的感值呈反比。具体的输入电流的纹波与电容C1的容值、电容C4的容值和电感L0的感值相关，而与耦合电感原边绕组L1的感值无关。由于输入电流的纹波耦合电感原边绕组L1的感值无关，因此可以取耦合电感原边绕组L1的感值小于第一预定阈值，第一预定阈值为常规的Buck-Boost变换器中的变压器原边绕组的感值，也即可以取较小的L1，从而降低变压器的损耗。
图13示出了电感L0的不同的感值下的输入电流的纹波的示意图。在电感L0的感值较小的情况下，通过增加电容C1的容值和电容C4的容值，可以达到较低的输入电流的纹波。因此可以取电感L0的感值小于第二预定阈值，第二预定阈值为一个预先设定的较低的感值，也即电感L0的感值也可以取的很小，且采用平面电感设计方式，有效提高了变换器的功率密度。
只考虑该该变换器的第三模态、第六模态和第七模态得到：
并得到电压应力和电压增益为：
其中，依次是磁化电感LM和耦合线圈漏感LK在第三模态时两端的电压，是磁化电感LM在第六模态和第七模态时两端的电压，/>是耦合线圈漏感LK在第六模态和第七模态时两端的电压；VDS、/>依次是导通开关管S、输出电容Co2和输出电容Co1两端的电压，MCCM是电压增益；D是工作周期的占空比、为导通开关管S导通的时长在整个工作周期的时长中所占的比例；N是耦合电感原边绕组L1和耦合电感副边绕组L2的匝数比，K是耦合电感原边绕组L1和耦合电感副边绕组L2的耦合系数；t2、t5依次是耦合电感副边绕组L2的电流反向减小为零的时刻、耦合电感副边绕组L2的电流正向减小至零的时刻。
在忽略漏感对电压增益的影响下即耦合系数K＝1时，可以由式(2)得到电压增益与占空比的关系图如图14所示。
在考虑器件的寄生参数的作用的情况下，确定输出电容Co1两端的电压和输出电容Co2两端的电压/>的表达式分别为：
由此可得，在考虑器件的寄生参数的作用的情况下，输出电容Co1两端的电压和输出电容Co2两端的电压的电压差为0，电压差ΔV与占空比的关系如图15所示。其中，依次是耦合电感原边绕组L1、耦合电感原边绕组L1的漏感LK1、耦合电感副边绕组L2、耦合电感副边绕组L2的漏感LK2在导通开关管S保持导通时两端的电压；依次是耦合电感原边绕组L1、耦合电感原边绕组L1的漏感LK1、耦合电感副边绕组L2、耦合电感副边绕组L2的漏感LK2在导通开关管S保持断开时两端的电压；依次是导通开关管S保持导通时流过耦合电感原边绕组L1和耦合电感副边绕组L2的电流，/>是导通开关管S保持断开时流过耦合电感原边绕组L1和耦合电感副边绕组L2的电流；RL1、RL2、Rd、Vd依次是耦合电感原边绕组L1的等效电阻、耦合电感副边绕组L2的等效电阻、每个续流二极管的导通内阻、每个续流二极管的电压降；/>是流过输出二极管Do的电流，是流过续流二极管D1的电流，/>是流过续流二极管D2的电流，/>是流过续流二极管D3的电流。
根据上述各式可对变换器进行参数设计，常规的Buck-Boost变换器的占空比必须大于0.5引起输出电压纹波，且占空比等于0.75对称，造成输出电压纹波较大的问题。本申请的Buck-Boost变换器与此不同，导通开关管S的开关控制信号的占空比D的工作范围为0～1，且在全范围内都具有高增益，相比于常规拓扑结构来说，拓宽了占空比D的工作范围，且可以有效提高电压增益。且进一步取占空比D＝0.5±δ使得输出电压纹波在预定误差范围内，δ表示占空比误差，也即通过设定占空比D在0.5左右，就能有效抑制输出电压纹波，理论上可以使得输出电压变化值为0，也即实现输出电压零纹波，因此可使用低压小容值CBB电容代替高电压大容值电解电容，从而减小输出电容体积，缩减成本，有效提高***使用寿命。
在一个实例中，本申请的Buck-Boost变换器在一个工作周期内的工作波形如图16-18所示，其中，输入电压Vin＝20V，输出电压Vo＝200V，导通开关管S两端的电压VDS的纵坐标为50伏/单元格(V/div)，辅助开关管Sb两端的电压的纵坐标为50伏/单元格(V/div)，导通开关管S的电流IDS的纵坐标为10安/单元格(A/div)。电感L0两端的电压/>的纵坐标为10伏/单元格(V/div)，电感L0的电流/>的纵坐标为5安/单元格(A/div)。输出电容Co1两端的电压/>的纵坐标为50伏/单元格，输出电容Co2两端的电压/>的纵坐标为50伏/单元格。图16-18中横轴的时间均为5微秒/单元格(μs/div)。
在输入电压Vin＝20V，输出电压Vo＝200V时，两个输出电容Co1和Co2两端的电压和/>的电压纹波的波形图如图19所示。输出电压Vo的电压纹波的波形示意图如图20所示。电感L0的电流/>的电流纹波的波形示意图如图21所示。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器，其特征在于，在所述光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器中，耦合电感原边绕组L1的第一端连接耦合电感副边绕组L2的第一端、导通开关管S的第一端和辅助开关管Sb的第一端，所述耦合电感原边绕组L1的第二端连接输出电容Co2的第一端、续流二极管D2的阳极、续流二极管D3的阴极、输出电容Co1的第一端以及输入电源Vin的负极；所述续流二极管D2的阴极连接续流二极管D1的阳极以及电容C2的第一端，所述续流二极管D1的阴极连接所述输出电容Co2的第二端并连接负载R的一端；所述导通开关管S的两端跨接有反并联二极管和寄生电容，所述辅助开关管Sb的两端跨接有反并联二极管和寄生电容；
所述耦合电感副边绕组L2的第二端连接所述电容C2的第二端以及电容C3的第一端，所述电容C3的第二端连接所述续流二极管D3的阳极以及输出二极管Do的阴极，所述输出二极管Do的阳极连接所述输出电容Co1的第二端以及所述负载R的另一端；
所述输入电源Vin的正极连接电感L0的第一端，所述电感L0的第二端连接所述导通开关管S的第二段，所述电感L0的第二端还通过电容C1连接所述辅助开关管Sb的第二端；电容C4的一端连接所述输入电源Vin的负极、另一端连接所述辅助开关管Sb的第二端；所述导通开关管S和所述辅助开关管Sb在所述光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器的一个工作周期内交替导通；
辅助开关管Sb与电容C1形成有源钳位电路，所述有源钳位电路与电容C4、电感L0和耦合电感原边绕组L1形成输入电流零纹波电路。
2.根据权利要求1所述的光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器，其特征在于，当输入电流大于耦合电感原边绕组L1的电流时，所述输入电流零纹波电路释放多余的电流到电容给电容充电；当输入电流小于耦合电感原边绕组L1的电流时，所述输入电流零纹波电路中的电容放电以补足不足的电流。
3.根据权利要求1所述的光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器，其特征在于，输入电流的纹波与电容C1的电压纹波和电容C4的电压纹波成正比、与电感L0的感值呈反比，输入电流的纹波与电容C1的容值、电容C4的容值和电感L0的感值相关，而与耦合电感原边绕组L1的感值无关。
4.根据权利要求3所述的光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器，其特征在于，耦合电感原边绕组L1的感值小于第一预定阈值，电感L0的感值小于第二预定阈值且采用平面电感设计方式。
5.根据权利要求1所述的光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器，其特征在于，在所述光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器的一个工作周期内，从t0时刻开始辅助开关管Sb保持关断、导通开关管S零电流导通直至t3时刻，t3时刻至t4时刻内辅助开关管Sb和导通开关管S均保持关断，t4时刻开始辅助开关管Sb导通、导通开关管S关断，直至t7时刻开始辅助开关管Sb和导通开关管S均关断，直至当前工作周期结束。
6.根据权利要求5所述的光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器，其特征在于，在t3时刻导通开关管S关断，导通开关管S的寄生电容开始充电并被电容C1钳位，辅助开关管Sb的寄生电容开始放电，电容C1和电容C4放电，当辅助开关管Sb两端电压减少至零时，辅助开关管Sb两端的反并联二极管开始导通。
7.根据权利要求5所述的光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器，其特征在于，在t7时刻辅助开关管Sb关断，导通开关管S的寄生电容开始放电，直至导通开关管S的反并联二极管导通，同时辅助开关管Sb的寄生电容充电，输入电源Vin与电感L0和电容C1串联给电容C4充电。
8.根据权利要求5所述的光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器，其特征在于，在t0时刻到t3时刻的导通开关管S导通期间，所述光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器依次经历第一模态、第二模态和第三模态：
第一模态：耦合电感原边绕组L1和耦合电感副边绕组L2的电流续流，电容C3与耦合电感副边绕组L2、输出电容Co2串联给负载R供电；电容C3与耦合电感副边绕组L2和输入电源Vin串联给输出电容Co1充电，输入电源Vin与电感L0和电容C1串联给电容C4充电，当耦合电感原边绕组L1的电流为零时，第一模态结束；
第二模态：耦合电感原边绕组L1的电流增大，耦合电感副边绕组L2的电压被输出电压Vo、电容C3的电压和输入电源Vin钳位，输入电源Vin与电感L0和电容C1串联给电容C4充电，当耦合电感副边绕组L2的电流为零时，第二模态结束；
第三模态：输出二极管Do和续流二极管D2零电流关断，续流二极管D1和续流二极管D3零电流导通，输入电源Vin给耦合线圈漏感LK和磁化电感LM充电，电容C1和电容C4放电，输入电源Vin与耦合电感副边绕组L2串联给电容C3充电，输入电源Vin与耦合电感副边绕组L2串联给输出电容Co2充电，直至导通开关管S的关断信号来临时，第三模态结束。
9.根据权利要求5所述的光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器，其特征在于，在t4时刻到t7时刻的辅助开关管Sb导通期间，所述光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器依次经历第五模态、第六模态和第七模态：
第五模态：耦合线圈漏感LK的能量转移到电容C1中，输入电源Vin与电感L0和电容C1串联给电容C4充电，当耦合电感副边绕组L2的电流减小至零时，第五模态结束；
第六模态：耦合电感副边绕组L2和耦合电感原边绕组L1串联给电容C2充电，耦合电感副边绕组L2和耦合电感原边绕组L1以及电容C3串联给输出电容Co1充电，并与输出电容Co2串联给负载R供电；输入电源Vin与电感L0和电容C1串联给电容C4充电，当耦合电感原边绕组L1的电流减小至零时，第六模态结束；
第七模态：耦合电感原边绕组L1的电流反向增大，电容C1放电，耦合电感副边绕组L2与输入电源Vin以及电容C1串联给电容C2充电，耦合电感副边绕组L2与输入电源Vin以及电容C1、电容C3串联给输出电容Co1充电；耦合电感副边绕组L2与输入电源Vin以及电容C1、电容C3和输出电容Co2串联给负载R供电；输入电源Vin与电感L0和电容C1串联给电容C4充电，直至辅助开关管Sb的关断信号来临时，第七模态结束。
10.根据权利要求1所述的光伏发电用零电流纹波Buck-Boost变换器，其特征在于，在考虑器件的寄生参数的作用的情况下，输出电容Co1两端的电压和输出电容Co2两端的电压的电压差为0。
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