一种直流升压变换器的制作方法

本发明属于电力电子变换器，具体涉及一种直流升压变换器。

背景技术：

1、在化石能源日益枯竭、温室效应加剧的全球背景下，清洁能源发电技术特别是光伏发电技术得到了快速发展。然而，在光伏发电系统中，一个亟待解决的技术问题是光伏组件输出的电压波动较大且电压值较低，这直接影响了光伏并网发电的效率和稳定性。

2、传统直流升压变换器在提升光伏组件输出电压方面存在明显不足，其升压能力受到寄生参数等因素的限制，难以满足光伏并网对电压稳定性和增益的需求。当前，虽然已有多种方法尝试实现高增益dc-dc变换，如变换器级联、开关电容、开关电感以及耦合电感倍压单元等，但这些方法均存在各自的局限性。级联型变换器效率随着级数增加而显著降低；开关电容技术易产生较大尖峰电流；开关电感技术则容易导致电流纹波变大；而耦合电感倍压单元虽然能提升增益，但在实际应用中仍面临技术挑战。

3、因此，如何设计一种具有超高电压增益、高效率、低纹波、低尖峰电流的直流升压变换器，成为当前光伏发电领域亟需解决的技术问题。这不仅对提高光伏发电系统的整体效率和稳定性具有重要意义，也是推动清洁能源技术持续发展的重要环节。

技术实现思路

1、针对现有技术的上述不足，本发明提供一种直流升压变换器，以解决上述技术问题。

2、一种直流升压变换器，包括耦合电感、开关管s1、开关管s2、二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4、电容c1、电容c2、二极管d5和电容c4，耦合电感原边np的同名端连接到外部电源的正极，耦合电感原边np的异名端连接到耦合电感副边ns1的同名端、开关管s1的漏极和二极管d1的正极，耦合电感副边ns1的异名端通过电容c2连接到二极管d3的负极和二极管d5的正极，开关管s1的源极连接到电容c1的第一端、二极管d2的正极和二极管d4的负极，电容c1的第二端连接到二极管d1的负极、二极管d3的正极和开关管s1的漏极，二极管d2的负极连接到开关管s1的源极、耦合电感副边ns2的异名端和外部电源的负极，耦合电感副边ns2的同名端通过电容c3连接到二极管d4的正极和电容c4的第一端，电容c4的第二端连接到二极管d5的负极，负载并联在电容c4两端；

3、开关管s1、开关管s2、二极管d1、二极管d2和电容c1构成开关电容单元，耦合电感副边ns1、开关管s1、电容c1、电容c2和二极管d3构成第一倍压单元，耦合电感副边ns2、开关管s2、电容c1、电容c3和d4构成第二倍压单元，开关管s1和开关管s2在工作时保持同步，第一倍压单元和第二倍压单元对称设置，两倍压单元中对应器件上电压和电流一致。

4、本技术方案的进一步改进还有，开关管s1和开关管s2的占空比始终处于0.5以下。

5、本技术方案的进一步改进还有，根据耦合电感原边np电流一周期内是否出现为零，将该直流升压变换器的工作模式分为电流连续模式和电流断续模式。

6、本技术方案的进一步改进还有，电流连续模式下耦合电感中励磁电感lm的伏秒平衡方程为：

7、

8、其中，k为耦合系数，vin为外部电源输入的电压值，vc1为电容c1两端的电压值，lm为励磁电感lm上的电感值，d为开关管的占空比，t为开关管的工作周期。

9、本技术方案的进一步改进还有，电流连续模式下该直流升压变换器中各个电容的电压公式为：

10、

11、其中，vc2为电容c2两端的电压值，vc3为电容c3两端的电压值，vc4为电容c4两端的电压值，n为耦合电感的变比。

12、本技术方案的进一步改进还有，电流连续模式下该直流升压变换器的电压增益为：

13、

14、其中，mccm为电流连续模式下该直流升压变换器的电压增益。

15、本技术方案的进一步改进还有，电流连续模式下该直流升压变换器中各开关器件的电压应力为：

16、

17、其中，vds1为开关管s1的电压应力，vds2为开关管s2的电压应力，vd1为二极管d1的电压应力，vd2为二极管d2的电压应力，vd3为二极管d3的电压应力，vd4为二极管d4的电压应力，vd5为二极管d5的电压应力。

18、本技术方案的进一步改进还有，电流断续模式下耦合电感中励磁电感lm的伏秒平衡方程为：

19、

20、其中，dl为励磁电感电流从峰值下降至零所需时间占一周期的比值。

21、本技术方案的进一步改进还有，电流断续模式下该直流升压变换器的功率守恒方程为：

22、

23、其中，r为负载的阻值。

24、本技术方案的进一步改进还有，电流断续模式下该直流升压变换器的电压增益为：

25、

26、其中，mdcm为电流断续模式下该直流升压变换器的电压增益，另外，时间常数τ的计算公式为：τ＝lmf/r，其中，f为频率。

27、本发明的有益效果在于：

28、超高电压增益：通过结合双管开关电容与两个对称的耦合电感倍压单元，本变换器能够大大提高升压能力，从而有效解决光伏组件输出电压波动大且电压值较低的问题。这一设计显著提升了光伏发电系统的整体效率和稳定性。

29、高效率：开关管s1和s2在工作时保持同步，同时第一倍压单元和第二倍压单元对5称设置，确保了变换器在升压过程中能够保持较高的效率。与传统升压电路相比，本变换器在效率上有显著提升。对称工作不能提高效率，可以改为开关管s1和s2在工作时保持同步，同时第一倍压单元和第二倍压单元对称设置可便于器件选型及pcb板的制作。

30、低纹波和低尖峰电流：通过优化电路设计和器件选择，本变换器在升压过程中产生的电流纹波和尖峰电流得到有效控制。这不仅有利于保护电路中的元器件，还能提高光伏发电系统的可靠性。

31、此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。

技术特征：

1.一种直流升压变换器，其特征在于，包括耦合电感、开关管s1、开关管s2、二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4、电容c1、电容c2、二极管d5和电容c4，耦合电感原边np的同名端连接到外部电源的正极，耦合电感原边np的异名端连接到耦合电感副边ns1的同名端、开关管s1的漏极和二极管d1的正极，耦合电感副边ns1的异名端通过电容c2连接到二极管d3的负极和二极管d5的正极，开关管s1的源极连接到电容c1的第一端、二极管d2的正极和二极管d4的负极，电容c1的第二端连接到二极管d1的负极、二极管d3的正极和开关管s1的漏极，二极管d2的负极连接到开关管s1的源极、耦合电感副边ns2的异名端和外部电源的负极，耦合电感副边ns2的同名端通过电容c3连接到二极管d4的正极和电容c4的第一端，电容c4的第二端连接到二极管d5的负极，负载并联在电容c4两端；

2.根据权利要求1所述的直流升压变换器，其特征在于，开关管s1和开关管s2的占空比始终处于0.5以下。

3.根据权利要求1所述的直流升压变换器，其特征在于，根据耦合电感原边np电流一周期内是否出现为零，将该直流升压变换器的工作模式分为电流连续模式和电流断续模式。

4.根据权利要求3所述的直流升压变换器，其特征在于，电流连续模式下耦合电感中励磁电感lm的伏秒平衡方程为：

5.根据权利要求4所述的直流升压变换器，其特征在于，电流连续模式下该直流升压变换器中各个电容的电压公式为：

6.根据权利要求5所述的直流升压变换器，其特征在于，电流连续模式下该直流升压变换器的电压增益为：

7.根据权利要求6所述的直流升压变换器，其特征在于，电流连续模式下该直流升压变换器中各开关器件的电压应力为：

8.根据权利要求7所述的直流升压变换器，其特征在于，电流断续模式下耦合电感中励磁电感lm的伏秒平衡方程为：

9.根据权利要求8所述的直流升压变换器，其特征在于，电流断续模式下该直流升压变换器的功率守恒方程为：

10.根据权利要求9所述的直流升压变换器，其特征在于，电流断续模式下该直流升压变换器的电压增益为：

技术总结
本发明属于电力电子变换器技术领域，具体提供一种直流升压变换器，包括耦合电感、开关管S1、开关管S2、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电容C1、电容C2、二极管D5和电容C4，通过结合双管开关电容与两个对称的耦合电感倍压单元，本变换器能够大大提高升压能力，从而有效解决光伏组件输出电压波动大且电压值较低的问题。这一设计显著提升了光伏发电系统的整体效率和稳定性。

技术研发人员：刘晓杰,李学成,韩志,谷天一,赵彤,孙佳辉,代会文,刘闻酽,席海阔,余文浩
受保护的技术使用者：国网冀北电力有限公司承德供电公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/2