CN211606390U - 一种boost升压功率变换电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种BOOST升压功率变换电路，该变换电路在输入输出共地型三电平Boost变换器的基础上增加了飞跨电容C1的初始电压建立电路，其由第一电阻R1、第二电阻R2及第三电阻R3组成，在升压功率变换电路的输入端的电压低于升压功率变换电路的启动阈值电压V_start时对第一电容C1建立初始电压，作用是：一是降低了第二开关管T2的正向电压；二是降低了第四二极管D4承受的反向电压，进而保护了第二开关管T2，同时可以选择反向电压应力较小的第四二极管D4。

Description

一种BOOST升压功率变换电路

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，具体涉及一种应用于多路MPPT的光伏并网逆变器 BOOST升压功率变换电路。

背景技术

Boost电路为一种升压功率变换电路，可以将输入电压升压后输出，从而实现功率变换。通常Boost电路包括两电平Boost电路和多电平Boost电路，两电平Boost电路一般应用于电压等级较低的场合,多电平Boost电路应用于更高电压等级的场合。与两电平Boost电路相比，多电平Boost电路通过改进自身拓扑结构实现多电平，进而实现高电压大功率输出。相同的输入电压，多电平Boost电路突出优点是可以降低功率器件的电压应力，功率器件承受的电压应力是两电平Boost电路的一半，从而可以用较小耐压等级的功率器件实现较高等级的电压输出，进而可提高电路效率，降低***成本。

光伏并网逆变器输入与输出共地型三电平Boost电路(如图1-a)相比于对称三电平Boost 电路(如图1-b)，具有完全无共模信号影响、储能电感数量减半、运行效率高等优点，是应用于光伏并网逆变器的更优选择。输入输出共地型三电平Boost电路应用于多路MPPT光伏并网逆变器时，主要存在以下两个问题：

一、初始上电且输入电压较高时，由于此时飞跨电容的初始电压等于零，输入电压将全部施加于第二开关管T2，严重时会对开关管T2造成过压击穿。例如：由于光伏并网逆变器前级一般为多路MPPT并联(如图13)，当其中一路MPPT的输入电压达到了MPPT的初始启动电压V_start时，此时假设飞跨电容的初始电压等于零，则第二开关管T2两端所承受的电压等于 V_in，极端情况下，V_in＝1500V，则会造成第二开关管瞬时过压击穿。

二、母线电压建立后而某路MPPT未启动时，由于飞跨电容电压的初始电压等于零，输出母线电压将全部施加于第四二极管D4，严重时会造成二极管的过压击穿。例如：当其中有MPPT 未连接光伏电池板或者光伏电池板此时输出电压较低而此时输出直流母线电压已建立且飞跨电容初始电压等于零时，第四二极管D4将会承受反向电压应力V_out(参考图1-a)，极端情况下，V_out＝1500V,第四二极管D4将承受整个母线电压1500V。此时需要选择高耐压值的二极管，而高耐压值的二极管的管压降较高且反向恢复特性较差，使用时会严重影响电路效率。

以上两个潜在的问题会给电路的器件设计带来严重的挑战，因此必须采取适当措施，获得一种保证第二开关管的安全性以及降低第四二极管的电压应力，用以保证电路效率，降低***成本。

实用新型内容

为了解决现有方案中存在的以上技术问题，一方面，本实用新型提供一种BOOST升压功率变换电路，包括电源Vin、电感L1、第一开关模块、第二开关模块、第三二极管D3、第四二极管D4、飞跨电容C1；电源Vin、电感L1、第一开关模块和第二开关模块构成第一闭合回路；

还包括第一开关S1以及飞跨电容初始电压建立电路，所述飞跨电容初始电压建立电路包括第一电阻、第二电阻和第三电阻；第一电阻并联于第四二极管,第二电阻并联于第一电容，第三电阻一端连接于第一电容负端，另一端连接于直流母线负极端；电源Vin、电感L1、第三二极管D3、第二电阻R2与第一电容C1并联、第一开关S1及第二开关管模块构成的第二闭合回路；电源Vin、电感L1、第一开关模块、第一开关S1、第二电阻R2与第一电容C1并联、第一电阻R1与第四二极管D4并联、输出母线构成第三闭合回路；飞跨电容初始电压建立电路用于使第二开关模块的电压应力小于升压功率变换电路的输入电压、用于使第四二极管承受的电压应力小于功率变换电路的母线电压，其中输入电压为输入正极与输入负极的电压差，母线电压为正母线电压与负母线电压的电压差。

第一开关模块包括第一开关管T1和第一二极管D1，第二开关模块包括第二开关管T2和第二二极管D2，二极管的负极端连接开关管的集电极，二极管的正极端连接开关管的发射极。还包括第三母线电容C3和第四母线电容C4，第一开关模块、第二开关模块、第三二极管D3、第四二极管D4、第三母线电容C3和第四母线电容C4形成第四闭合回路。还包括负载单元，负载单元一端连接直流母线正极，另一端连接直流母线负极。

本实用新型增加的飞跨电容初始电压建立电路，当光伏并网逆变器的任意路MPPT上电时，均须保持第一开关S1断开，此时输入电压Vin、电感L1、第三二极管D3、第二电阻R2和第一电容C1及第三电阻R3形成回路。若第一路MPPT1输入电压达到了MPPT的工作阈值电压V_start，此时直流母线电压等于当前第一路MPPT1的输入电压。输入电压V_in通过电感L1、第三二极管D3、第二电容R2并联飞跨电容C1及R3形成电路支路，则V_C1＝αV_in＝βV_out。

-+一旦飞跨电容C1电压建立以后，可闭合第一路MPPT1的开关S1，电路进入正常工作状态，由于飞跨电容的电压已经建立，则可避免开关S1闭合时，由于飞跨电容电压等于零而使开关管承受过压而击穿的情况发生。

若MPPT2输入电压较低，小于MPPT的工作阈值电压V_start，无法满足BOOST变换器的正常运行，开关S1保持断开状态，由于MPPT1与MPPT2共用直流母线V_out，直流母线电压由MPPT1 建立。根据基尔霍夫环路电压定律，直流母线电压通过第一电阻R1、第二电阻R2并联飞跨电容C1、第三电阻R3建立电路关系，稳态条件下，最终可知V_C1＝γV_out。据此可知，未启动运行的MPPT的飞跨电容的初始电压得以建立，一旦MPPT2的输入电压满足BOOST变换器的运行阈值电压V_start，则可闭合开关S1，使其正常工作，由于此时飞跨电容的分压作用，避免了二极管D4的反向电压较高，达到了降低二极管D4反向耐压的目的，便于器件选型，提高电路***工作效率，降低成本的目的。

附图说明

图1-a为输入输出共地型三电平BOOST电路的拓扑结构图；

图1-b为对称三电平BOOST电路的拓扑结构图；

图2为D<0.5时驱动信号波形图；

图3为D<0.5时开关模态a的路径图；

图4为D<0.5时开关模态b的路径图；

图5为D<0.5时开关模态c的路径图；

图6为D<0.5时开关模态d的路径图；

图7为D>0.5时驱动信号波形图；

图8为D>0.5时开关模态a的路径图；

图9为D>0.5时开关模态b的路径图；

图10为D>0.5时开关模态c的路径图；

图11为D>0.5时开关模态d的路径图；

图12-a为本申请实施例提供的开关闭合时的BOOST升压功率变换电路示意图；

图12-b为本申请实施例提供的开关关断时的BOOST升压功率变换电路示意图；

图13为多个Boost电路的输出端并联在光伏发电***应用的示意图；

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本申请实施例提供的技术方案，下面以现有的三电平 Boost电路为例介绍其工作原理。

如图1-a所示，电阻R1为负载单元，C3、C4为Boost电路输出侧的母线电容，根据输入电压V_in和输出电压V_out的关系，该Boost电路分别工作于占空比D＜0.5和D＞0.5两种工作模式下：

1、当V_in＞0.5V_out时，占空比D＜0.5；

这种工作模式下，驱动信号的波形图如图2所示，各开关模态下的电流流通路径如图3-6 所示，其中实现表示电流流通路径，C2、C3为母线电容。图中，T为开关周期，T1、T2驱动信号相差180度相角。

如图3，开关模态a：T1导通，T2关断，D4导通，D3截止，由于飞跨电容电压控制为：V_C1＝0.5V_out，电感L1两端承受电压大于零，即V_in-0.5V_out＞0，电感电流线性上升，此时D3的电压应力为0.5V_out，D4导通，无反电压应力。

如图4和图6所示，开关模态为b和d：两各开关模态完全相同，在同一个周期内出现两次。T1、T2均处于关断状态。电感电流通过D3、D4续流，D3、D4导通，不存在反电压应力。

如图5所示，开关模态c：T1关断，T2开通，D3导通，D4截止，其电压应力为：

V_out-V_C1＝0.5V_out；

根据电感两端电压伏秒守恒原理，即一个工作周期内，电感两端电压与时间的乘积为0，可得：(V_in-V_out+V_C1)·DT+(V_in-V_out)·(1-2D)T+(V_in-V_C1)·DT＝0；简化后可得：V_out＝V_in/(1-D)，由该公式可得知，通过控制T1、T2的占空比D，即可控制输出电压。

2、当V_in小于0.5V_out时，占空比D＞0.5；

这种工作模式下，驱动信号波形图如图7所示，各开关模态下的电流流通路径如图8-11 所示，其中实线表示电流通路，C2、C3为母线电容。

如图8和图10所示，开关模态a和c：两种开关模态电流流通路径完全相同，出现在一个周期的不同阶段。T1、T2导通，D3、D4截止。电感L1两端电压为V_in，电感电流线性上升。D3和D4的电压应力均为0.5V_out。

如图9所示，开关模态b：T1导通，T2关断，D4导通，D3截止。D3电压应力为0.5V_out。

如图11所示，开关模态d：T2开通，T1关断，D3导通，D4截止。D4电压应力为0.5V_out。根据电感两端电压伏秒守恒原理，可以得到：V_out＝V_in/(1-D)。

综上所述，稳态情况下各种工作状态时，D3、D4的电压应力均为输出电压的一半，即 0.5V_out，二极管器件选型时均可按该电压应力进行选取。

由于光伏发电领域的电站一般包括多路逆变器，这样多路逆变器中DC-DC的输出端并联在一起，若某一路DC-DC的输入端没有成功连接光伏组件，这样并联的其他路DC-DC成功连接光伏组件，由于输出端并联在一起，并联的DC-DC的输出端的母线电压已经建立，致使输入端没有成功连接光伏组件的DC-DC中的二极管将承受母线电压的反压。例如图1-a所示，当多路MPPT并联使用时，飞跨电容的初始电压未建立的条件下，首次上电启动的MPPT在较高输入电压的作用下将造成第二开关管T2的瞬时过压损坏；当存在多路Boost电路的输出端并联时，即多路共输出母线，若其他路已上电，但该路Boost电路还未上电，此时已有母线电压，由于该路飞跨电容电压和输入电压均为0，D3阴极到D2正极之间近似可以看成等电位，此时D4承受整个母线电压V_out，如果D4按照0.5V_out应力来选型，此时D4会过压被击穿。

为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型，从而对本实用新型要求保护的范围作出更清楚地限定，下面就本实用新型的某些具体实施例对本实用新型进行详细描述。需要说明的是，以下仅是本实用新型构思的某些具体实施方式仅是本实用新型的一部分实施例，其中对于相关结构的具体的直接的描述仅是为方便理解本实用新型，各具体特征并不当然、直接地限定本实用新型的实施范围。

基于上述原因，本申请实施例提供的DC-DC将有利保护承受反压的二极管，使其选型较容易，成本降低，并且保证开关管的安全性。

如图12-a和12-b所示，一方面，本实用新型提供一种BOOST升压功率变换电路，包括电源Vin、电感L1、第一开关模块、第二开关模块、第三二极管D3、第四二极管D4、飞跨电容C1；电源Vin、电感L1、第一开关模块和第二开关模块构成第一闭合回路；

还包括第一开关S1以及飞跨电容初始电压建立电路，所述飞跨电容初始电压建立电路包括第一电阻、第二电阻和第三电阻；第一电阻并联于第四二极管,第二电阻并联于第一电容，第三电阻一端连接于第一电容负端，另一端连接于直流母线负极端；电源Vin、电感L1、第三二极管D3、第二电阻R2与第一电容C1并联、第一开关S1及第二开关管模块构成的第二闭合回路；电源Vin、电感L1、第一开关模块、第一开关S1、第二电阻R2与第一电容C1并联、第一电阻R1与第四二极管D4并联、输出母线构成第三闭合回路；飞跨电容初始电压建立电路用于使第二开关模块的电压应力小于升压功率变换电路的输入电压、用于使第四二极管承受的电压应力小于功率变换电路的母线电压，其中输入电压为输入正极与输入负极的电压差，母线电压为正母线电压与负母线电压的电压差。

第一开关模块包括第一开关管T1和第一二极管D1，第二开关模块包括第二开关管T2和第二二极管D2，二极管的负极端连接开关管的集电极，二极管的正极端连接开关管的发射极。还包括第三母线电容C3和第四母线电容C4，第一开关模块、第二开关模块、第三二极管D3、第四二极管D4、第三母线电容C3和第四母线电容C4形成第四闭合回路。还包括负载单元，负载单元一端连接直流母线正极，另一端连接直流母线负极。

本实用新型增加的飞跨电容初始电压建立电路，当光伏并网逆变器的任意路MPPT上电时，均须保持第一开关S1断开，此时输入电压Vin、电感L1、第三二极管D3、第二电阻R2和第一电容C1及第三电阻R3形成回路。若第一路MPPT1输入电压达到了MPPT的工作阈值电压Vstart，此时直流母线电压等于当前第一路MPPT1的输入电压。输入电压Vin通过电感L1、第三二极管D3、第二电容R2并联飞跨电容C1及R3形成电路支路，则VC1＝αVin＝βVout。一旦飞跨电容C1电压建立以后，可闭合第一路MPPT1的开关S1，电路进入正常工作状态，由于飞跨电容的电压已经建立，则可避免开关S1闭合时，由于飞跨电容电压等于零而使开关管承受过压而击穿的情况发生。

若MPPT2输入电压较低，小于MPPT的工作阈值电压Vstart，无法满足BOOST变换器的正常运行，开关S1保持断开状态，由于MPPT1与MPPT2共用直流母线Vout，直流母线电压由MPPT1建立。根据基尔霍夫环路电压定律，直流母线电压通过第一电阻R1、第二电阻R2 并联飞跨电容C1、第三电阻R3建立电路关系，稳态条件下，最终可知VC1＝γVout。据此可知，未启动运行的MPPT的飞跨电容的初始电压得以建立，一旦MPPT2的输入电压满足BOOST 变换器的运行阈值电压Vstart，则可闭合开关S1，使其正常工作，由于此时飞跨电容的分压作用，避免了二极管D4的反向电压较高，达到了降低二极管D4反向耐压的目的，便于器件选型，提高电路***工作效率，降低成本的目的。

本领域技术人员在本实用新型构思的指导下所作的常规选择和替换，均应视为在本实用新型要求保护的范围内。

Claims (4)

1.一种BOOST升压功率变换电路，包括电源Vin、电感L1、第一开关模块、第二开关模块、第三二极管D3、第四二极管D4、飞跨电容C1；电源Vin、电感L1、第一开关模块和第二开关模块构成第一闭合回路；

其特征在于：还包括第一开关S1以及飞跨电容初始电压建立电路，所述飞跨电容初始电压建立电路包括第一电阻、第二电阻和第三电阻；第一电阻并联于第四二极管,第二电阻并联于第一电容，第三电阻一端连接于第一电容负端，另一端连接于直流母线负极端；

电源Vin、电感L1、第三二极管D3、第二电阻R2与第一电容C1并联、第一开关S1及第二开关管模块构成的第二闭合回路；

电源Vin、电感L1、第一开关模块、第一开关S1、第二电阻R2与第一电容C1并联、第一电阻R1与第四二极管D4并联、输出母线构成第三闭合回路；

所述飞跨电容初始电压建立电路用于使第二开关模块的电压应力小于升压功率变换电路的输入电压、用于使第四二极管承受的电压应力小于功率变换电路的母线电压，其中输入电压为输入正极与输入负极的电压差，母线电压为正母线电压与负母线电压的电压差。

2.根据权利要求1所述的BOOST升压功率变换电路，其特征在于：所述第一开关模块包括第一开关管T1和第一二极管D1，第二开关模块包括第二开关管T2和第二二极管D2，二极管的负极端连接开关管的集电极，二极管的正极端连接开关管的发射极。

3.根据权利要求1或2所述的BOOST升压功率变换电路，其特征在于：还包括第三母线电容C3和第四母线电容C4，第一开关模块、第二开关模块、第三二极管D3、第四二极管D4、第三母线电容C3和第四母线电容C4形成第四闭合回路。

4.根据权利要求3所述的BOOST升压功率变换电路，其特征在于：还包括负载单元，负载单元一端连接直流母线正极，另一端连接直流母线负极。

Images