一种双极性输出的电压变换器和双输入电压变换器的制作方法

本发明涉及电压变换，具体涉及一种双极性输出的电压变换器和双输入电压变换器。

背景技术：

1、光伏发电、燃料电池和储能电池等新能源电源通常输出低压直流电，而高压直流母线、并网逆变器前级、直流微网接口以及双极性直流供电系统往往需要较高且稳定的直流电压。因此，在低压新能源电源与高压直流负载之间通常需要设置高增益 dc-dc 变换器，以实现电压提升、能量调节和母线电压稳定。

2、现有非隔离型的高增益直流变换器主要包括传统 boost 变换器、耦合电感升压变换器、开关电容/倍压单元升压变换器以及耦合电感与电容二极管网络组合式升压变换器。

3、其中传统 boost 变换器结构简单，但在高输出电压场合通常需要极大占空比，容易造成开关器件和二极管电压电流应力增大、二极管反向恢复加剧、效率下降以及控制裕度减小等问题；

4、耦合电感升压变换器能够利用匝比提高电压增益，但漏感引起的电压尖峰、耦合副边电压偏差以及器件应力仍需重点处理；

5、开关电容或倍压单元能够实现电容电压叠加，但在较高功率场合容易出现充放电脉动电流较大、输出电压不平衡和器件损耗偏高的问题。

6、另外对于需要正负直流母线的应用场景，部分现有方案通常采用后级分压电容或附加平衡控制来获得双极性输出。当上下输出电容充电路径不对称或负载发生变化时，容易出现正负母线电压不平衡，进而影响后级逆变器或双极性直流负载的工作稳定性。

7、结合上述内容，现有的电压变换器不能在较少器件数量下同时兼容高增益、双极性输出、输出母线电压平衡以及相对简单的控制输出。

技术实现思路

1、鉴于背景技术的不足，本发明是提供了一种双极性输出的电压变换器和双输入电压变换器，所要解决的技术问题是现有的电压变换器不能在较少器件数量下同时兼容高增益、双极性输出、输出母线电压平衡以及相对简单的控制输出。

2、为解决以上技术问题，第一方面，本发明提供了如下技术方案：一种双极性输出的电压变换器，包括升压单元和输出电容支路；

3、所述升压单元包括储能电感l1、耦合电感l2、耦合电感l3、升压支路、开关管s1、第五单向导电单元和第六单向导电单元；耦合电感l2与耦合电感l3耦合；

4、所述升压支路包括依次串联的电容c1、第一单向导电单元、第二单向导电单元、第三单向导电单元、电容c3、电容c2和第四单向导电单元；所述第一单向导电单元的输入端与第二单向导电单元的输入端电连接，所述第二单向导电单元的输出端与第三单向导电单元的输入端电连接，所述电容c2未与电容c3电连接的一端与第四单向导电单元的输入端电连接；所述第四单向导电单元的输出端与开关管s1的输出端电连接；

5、所述电感l1两端分别和电容c1一端和第一单向导电单元的输入端电连接，所述电容c1另一端与第一单向导电单元的输出端电连接；

6、所述耦合电感l2的同名端与第一单向导电单元的输出端电连接；所述电感l2的异名端分别与第二单向导电单元的输出端、开关管s1的输入端和耦合电感l3的同名端电连接；所述耦合电感l3和电容c3与电容c2电连接的一端电连接；

7、所述第五单向导电单元的输入端与第三单向导电单元的输出端电连接，所述第五单向导电单元的输出端与输出电容支路的第一端点电连接；

8、所述第六单向导电单元的输入端与输出电容支路的第二端点电连接，所述第六单向导电单元的输出端与第四单向导电单元的输入端电连接。

9、在第一方面的某种实施方式中，所述第一单向导电单元、第二单向导电单元、第三单向导电单元、第四单向导电单元、第五单向导电单元和第六单向导电单元均在自身的输入端与输出端的压差大于阈值电压时导通；

10、所述第一单向导电单元、第二单向导电单元、第三单向导电单元、第四单向导电单元、第五单向导电单元和第六单向导电单元均在自身的输入端与输出端的压差小于阈值电压时关断。

11、在第一方面的某种实施方式中，所述第一单向导电单元、第二单向导电单元、第三单向导电单元、第四单向导电单元、第五单向导电单元和第六单向导电单元分别包括二极管，二极管的阳极为单向导电单元的输入端，二极管的阴极为单向导电单元的输出端。

12、在第一方面的某种实施方式中，所述二极管为快恢复二极管、肖特基二极管或碳化硅二极管。

13、在第一方面的某种实施方式中，所述开关管为nmos管，nmos管的漏极为开关管s1的输入端，nmos管的源极为开关管s1的输出端，nmos管的栅极为开关管s1的控制端，用于输入pwm控制信号。

14、在第一方面的某种实施方式中，所述输出电容支路包括输出电容co1和输出电容co2；所述输出电容co1一端为输出电容支路的第一端点，所述输出电容co1另一端与输出电容co2一端电连接，为输出电容支路的中间节点，所述输出电容co2另一端为输出电容支路的第二端点。

15、在第一方面的某种实施方式中，所述输出电容支路的中间节点还与第四单向导电单元的输出端电连接，用于接地。

16、在第一方面的某种实施方式中，所述电容c1、电容c2和电容c3为薄膜电容。

17、第二方面，本发明还提供了一种双输入电压变换器，包括两个上述的双极性输出的电压变换器中的升压单元和一个上述的双极性输出的电压变换器中的输出电容支路；

18、两个升压单元的第五单向导电单元的输入端与输出电容支路的第一端点电连接，两个升压单元的第六单向导电单元的输入端与输出电容支路的第二端点电连接

19、在第二方面的某种实施方式中，一个升压单元的电容c1一端用于和光伏发电单元电连接，另一个升压单元的电容c1一端用于和燃料电池单元电连接。

20、本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：

21、首先通过储能电感l1、耦合电感l2和耦合电感l3的储能与释能，以及电容c1、电容c2和c3的电压叠加，使电压变换器的总输出电压增益达到2（1+n）/（1-d）2，其中n为耦合电感l1和耦合电感l2的匝比，d为开关管s1的控制端输入的pwm控制信号的占空比，因此能够在较小占空比的情况下通过合理设置匝比就能获得较高输出电压，实现高增益；

22、其次本发明控制简单，电路仅设置一个主开关管s1，驱动与控制方式与多开关交错结构相比更简单，不存在多主开关驱动时序偏差导致的功率不均问题；

23、另外相较于多相、多级级联或多开关高增益方案，本发明采用一个主开关、三只电感/耦合绕组和少量二极管电容即可实现高增益输出，有利于提升功率密度且整体器件少；

24、最后通过分别向输出电容支路的两个端点传递能量，能降低正负母线电压不平衡问题。

1.一种双极性输出的电压变换器，其特征在于，包括升压单元和输出电容支路；

2.根据权利要求1所述的一种双极性输出的电压变换器，其特征在于，所述第一单向导电单元、第二单向导电单元、第三单向导电单元、第四单向导电单元、第五单向导电单元和第六单向导电单元均在自身的输入端与输出端的压差大于阈值电压时导通；

3.根据权利要求2所述的一种双极性输出的电压变换器，其特征在于，所述第一单向导电单元、第二单向导电单元、第三单向导电单元、第四单向导电单元、第五单向导电单元和第六单向导电单元分别包括二极管，二极管的阳极为单向导电单元的输入端，二极管的阴极为单向导电单元的输出端。

4.根据权利要求3所述的一种双极性输出的电压变换器，其特征在于，所述二极管为快恢复二极管、肖特基二极管或碳化硅二极管。

5.根据权利要求1所述的一种双极性输出的电压变换器，其特征在于，所述开关管为nmos管，nmos管的漏极为开关管s1的输入端，nmos管的源极为开关管s1的输出端，nmos管的栅极为开关管s1的控制端，用于输入pwm控制信号。

6.根据权利要求1所述的一种双极性输出的电压变换器，其特征在于，所述输出电容支路包括输出电容co1和输出电容co2；所述输出电容co1一端为输出电容支路的第一端点，所述输出电容co1另一端与输出电容co2一端电连接，为输出电容支路的中间节点，所述输出电容co2另一端为输出电容支路的第二端点。

7.根据权利要求6所述的一种双极性输出的电压变换器，其特征在于，所述输出电容支路的中间节点还与第四单向导电单元的输出端电连接，用于接地。

8.根据权利要求1所述的一种双极性输出的电压变换器，其特征在于，所述电容c1、电容c2和电容c3为薄膜电容。

9.一种双输入电压变换器，其特征在于，包括两个权利要求1-8任一项所述的双极性输出的电压变换器中的升压单元和一个权利要求1-8任一项所述的双极性输出的电压变换器中的输出电容支路；

10.根据权利要求9所述的一种双输入电压变换器，其特征在于，一个升压单元的电容c1一端用于和光伏发电单元电连接，另一个升压单元的电容c1一端用于和燃料电池单元电连接。