基于光伏電站開關(guān)電容的改進(jìn)高增益升壓電路

張立民

摘要：在光伏并網(wǎng)發(fā)電應(yīng)用中，針對傳統(tǒng)升壓電路轉(zhuǎn)換器電壓增益低，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點，本文提出了一種基于開關(guān)電容的改進(jìn)高增益升壓電路，論文對改電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論和仿真分析，分析結(jié)果表明新型高增益電路相對傳統(tǒng)開關(guān)電容電路，輸出電壓輸出增益更高，并與傳統(tǒng)升壓電路進(jìn)行對比，充分驗證了改進(jìn)高增益電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確性與可行性。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電容;高增益;升壓電路

導(dǎo)言：

隨著全球能源短缺和環(huán)境污染等問題日益突出，光伏發(fā)電因其清潔、安全、便利、高校等特點，已成為世界各國普遍關(guān)注和重點發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)。在光伏發(fā)電中，通常使用DC-DC電路將光伏電池最大功率跟蹤后的電壓進(jìn)行放大，再經(jīng)過逆變電路將直流電壓轉(zhuǎn)換成220V/50Hz的交流電。而并網(wǎng)逆變器需要輸入高壓直流，傳統(tǒng)做法是將多個光伏組件串聯(lián)以獲取高壓直流，但這種方法存在陰影問題和可靠性低的問題。針對上述的問題，有學(xué)者使用隔離升壓的方式實現(xiàn)電壓高增益，但隔離升壓電路采用變壓器使電路結(jié)構(gòu)變得笨重，另外也有學(xué)者使用高增益電路實現(xiàn)升壓過程，但電壓增益不能滿足高電壓增益的要求。

為了電壓高增益的問題，本文提出一種改進(jìn)開關(guān)電容的高增益電壓輸出電路，并對改進(jìn)電路進(jìn)行了理論和仿真分析。

1 開關(guān)電容電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

開關(guān)電容電路的本質(zhì)是利用電容的充放電特性，將電容C1和電子開關(guān)管S1組合，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)開關(guān)管S1導(dǎo)通時，電容C1和電感L1并聯(lián)，電源V1-L1-S1形成閉合回路，電源V1給電感L1充電;且V1-D1-C1-S1形成閉合回路，電源V1給電容C1充電。當(dāng)開關(guān)管S1斷開時，電源V1、L1、C1串聯(lián)對負(fù)載放電，實現(xiàn)串聯(lián)升壓過程。

2 改進(jìn)開關(guān)電容電路

2.1 改進(jìn)開關(guān)電容電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于開關(guān)電容電路，設(shè)計了改進(jìn)型的新型電路，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示：

2.2 電路原理

為了便于對改進(jìn)開關(guān)電容電路進(jìn)行分析，首先作一下假設(shè)：

（1）有的元器件均為理想型器件，不考慮寄生參數(shù)的影響;（2）中的電感足夠大，使電路工作在CCM（連續(xù)導(dǎo)通模式）;（3）中的電容足夠大，在一個開關(guān)周期內(nèi)，其兩端電壓基本不變。

開關(guān)管S1、S2、S3同時導(dǎo)通和關(guān)斷，電路能夠工作兩種不同的工作模式下：

模式一：S1、S2、S3導(dǎo)通，此時電路形成四個不同的回路：V1-L1-S1，V1-D1-C1-S1，V1-D1-S2-L3，V1-D1-L2-S3，電源V1分別給電感L1，C1，L2，L3充電;

模式二：S1、S2、S3關(guān)斷，此時D1左端電壓比右端電壓低，D1截止，V1、L1、C1、L2、L3串聯(lián)，通過二極管D2給負(fù)載R1供電。

經(jīng)過計算，可以推導(dǎo)出改進(jìn)開關(guān)電容電路的電壓增益為： ?G=（3-D）/（1-D）

公式中D為開關(guān)管驅(qū)動信號的占空比，有公式可知，當(dāng)開關(guān)管驅(qū)動信號占空比為0.5時，改進(jìn)開關(guān)電容升壓電路輸出電壓增益為5，而傳統(tǒng)的BOOST電路的電壓增益為2;相比傳統(tǒng)的升壓電路增益，改進(jìn)開關(guān)電容電路的電壓增益明顯增大。

3 電路仿真驗證

為驗證改進(jìn)開關(guān)電容升壓電路的正確性與可行性，利用PSIM軟件對電路進(jìn)行仿真驗證，搭建了改進(jìn)開關(guān)電容電路的仿真模型，其中電路參數(shù)如表1所示。

在開關(guān)管工作頻率為50Hz，導(dǎo)通占空比D=0.5時，根據(jù)增益公式計算理論輸出電壓為100，仿真模型輸出電壓為98.7V;當(dāng)導(dǎo)通占空比D=0.6時，根據(jù)增益公式計算理論輸出電壓為6，仿真模型輸出電壓為125V。輸出電壓波形如圖3所示。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于開關(guān)電容電路的改進(jìn)型電路，實現(xiàn)了輸出電壓的高增益，通過理論分析和仿真驗證，對電路進(jìn)行驗證分析，利用PSIM軟件仿真分析，結(jié)果辨明改進(jìn)開關(guān)電容電路能夠?qū)崿F(xiàn)高增益過程，充分表明了改進(jìn)型電路的有效性和正確性。

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