一种基于抽头电感的高增益升压电路

本发明涉及新能源发电领域，具体涉及一种基于抽头电感的高增益升压电路。

背景技术：

1、随着全球能源危机的日益加剧和环境保护意识的不断增强，光伏发电和燃料电池等分布式发电系统得到了广泛的发展和普及。由于光伏电池和燃料电池单体输出的直流电压通常较低（如光伏电池板输出电压一般为24v~48v，燃料电池单体输出电压更低），而并网逆变器或负载所需的直流母线电压通常高达380v~400v甚至更高，因此，在分布式发电系统中，高升压比直流变换器作为前级升压装置发挥着至关重要的作用，其性能直接影响到整个系统的转换效率、成本和可靠性，因而越来越受到学术界和工业界的重视。

2、目前，传统的直流升压变换器主要采用boost变换器拓扑结构。理论上，boost变换器通过调节功率开关管的导通占空比可以实现较高的电压增益，当占空比趋近于1时，其输出电压理论上可以趋近于无穷大。然而，在实际工程应用中，由于功率开关管、二极管等功率器件存在导通损耗和开关损耗，以及电感、电容等无源元件存在寄生参数，boost变换器的导通占空比通常被限制在0.8以下。若占空比过大，不仅会导致功率开关管的导通损耗急剧增加、变换器整体效率显著下降，还会引起二极管反向恢复时间延长、电感电流纹波增大等问题，严重时甚至可能导致功率器件因过热而损坏。因此，传统boost变换器在实际应用中很难实现高增益的电压输出，难以满足分布式发电系统对高升压比的需求。

3、为了突破传统boost变换器在升压能力上的限制，现有技术中提出了多种替代方案。其中一种较为常见的方案是利用含有高匝数比高频变压器的功率变换电路来实现高升压比，例如反激变换器（flyback converter）、正激变换器（forward converter）和llc谐振变换器等隔离型dc-dc变换器拓扑。这类变换器通过调节高频变压器的匝数比即可在理论上获得任意高的电压增益，且能够实现输入与输出之间的电气隔离，具有一定的技术优势。然而，这类隔离型变换器在实际应用中仍存在诸多不足：首先，为了驱动高频变压器并实现功率传输，电路中通常需要设置两个以上的全控型开关器件（如反激变换器需一个开关管和一个整流管，但实际高效率设计中常采用同步整流则需要两个全控型器件；正激和llc变换器则通常需要两个或四个开关管），这无疑增加了驱动电路的复杂性和系统整体的成本；其次，高频变压器的存在不仅增加了变换器的体积和重量，其漏感还会引起开关管两端的电压尖峰，需要额外设置吸收电路或选用更高耐压的功率器件，进一步增加了系统的复杂度和成本；再次，隔离型变换器在轻载或空载条件下的损耗较高，整体工作效率往往低于非隔离型变换器。

4、因此，在不需要电气隔离的应用场合（如光伏发电系统中的前级升压环节），如何在保证高电压增益的前提下，设计出一款电路结构简单、开关器件数量少、功率器件电压应力低、体积小且成本低廉的高增益升压变换器，仍然是本领域亟待解决的技术难题。本发明正是在这样的技术背景下提出的。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于抽头电感的高增益升压电路，其能够实现高电压增益输出的同时保持电路结构简单、成本低廉，并且能够有效降低开关管的电压应力。

2、为实现本发明的目的，采用如下方案：

3、一种基于抽头电感的高增益升压电路，包括输入电源vin、开关管s、第一电容器c1、第二电容器c2、第三电容器c3、第四电容器c4、第五电容器c5、第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4、第五二极管d5、负载rl以及抽头电感，所述抽头电感由第一绕组n1和第二绕组n2构成，所述第一绕组n1与所述第二绕组n2同方向绕制在同一磁芯上；

4、所述第一绕组n1的输入端和所述第三电容器c3的负极同时与所述输入电源vin的正端相连；所述第一绕组n1的输出端与所述开关管s的第一端、所述第一二极管d1的阳极以及所述第二绕组n2的输入端相连；

5、所述第二绕组n2的输出端与所述第二电容器c2的负极相连；所述第二电容器c2的正极与所述第二二极管d2的阴极、所述第三二极管d3的阳极以及所述第四电容器c4的负极相连；

6、所述开关管s的第二端与所述输入电源vin的负端和所述第一电容器c1的负极相连；

7、所述第一二极管d1的阴极与所述第二二极管d2的阳极和所述第一电容器c1的正极相连；

8、所述第三二极管d3的阴极与所述第四二极管d4的阳极和所述第三电容器c3的正极相连；

9、所述第四二极管d4的阴极与所述第五二极管d5的阳极和所述第四电容器c4的正极相连；

10、所述第五二极管d5的阴极与所述第五电容器c5的正极相连，并作为所述升压电路的输出正端；

11、所述第五电容器c5的负极与所述输入电源vin的负端相连并作为所述升压电路的输出负端；所述负载rl分别与所述输出正端与所述输出负端连接；所述开关管s的控制端作为所述升压电路的控制输入端。

12、进一步地，所述第一绕组n1与所述第二绕组n2的匝数比为n2/n1=n，其中n为正数。

13、进一步地，所述升压电路的电压增益为g=(3+2n)/(1-d)，其中，n为所述第二绕组n2与所述第一绕组n1的匝数比，d为所述开关管s的导通占空比。

14、进一步地，所述开关管s为全控型开关器件。

15、进一步地，所述开关管s在开关频率固定而导通占空比可调的方式下运行。

16、进一步地，所述开关管s关断时其两端的电压被箝位至所述第一电容器c1的电压，所述开关管s的电压应力为输出电压的1/(3+2n)。

17、进一步地，所述第一电容器c1、所述第二电容器c2、所述第三电容器c3、所述第四电容器c4和所述第五电容器c5均为滤波电容。

18、进一步地，所述输入电源vin为直流电源。

19、进一步地，所述输入电源vin为光伏发电电源或燃料电池电源。

20、进一步地，所述升压电路用于新能源发电系统中的直流升压变换。

21、相比现有技术，本发明的有益效果在于：

22、1.本发明具有电压增益高的优点。本发明所提基于抽头电感的高增益升压电路，其电压增益为g=(3+2n)/(1-d)，其中n为第二绕组与第一绕组的匝数比，d为开关管的导通占空比。在相同的占空比条件下，本发明的电压增益远高于传统boost变换器的增益g=1/(1-d)，且匝数比n越大，增益提升越显著。以n=2、d=0.7为例，本发明可获得g=(3+4)/(0.3)=23.3倍的电压增益，而传统boost变换器在相同占空比下仅能获得约3.3倍的增益。这意味着本发明无需采用极限占空比即可实现高增益输出，可有效避免因占空比过大而导致的功率器件损耗急剧增加、效率大幅下降等问题。

23、2.本发明电路结构简单、成本低廉。与现有采用高频变压器实现高升压比的隔离型变换器（如反激变换器、正激变换器、llc谐振变换器等）相比，本发明仅需一个全控型开关管即可实现高增益升压功能，无需设置多个开关管及其配套的隔离驱动电路。这不仅大大简化了电路拓扑结构和控制策略，降低了系统复杂度，同时也显著减少了元器件的数量和制造成本，有利于产品的工业化生产和小型化设计。

24、3.本发明中开关管电压应力低，可选用低压功率器件。在本发明中，当开关管关断时，其两端电压被箝位至第一电容器的电压vc1=vin/(1-d)，而输出电压为vo=vin×(3+2n)/(1-d)，开关管的电压应力仅为输出电压的1/(3+2n)，远低于输出电压。以n=2为例，开关管的电压应力仅为输出电压的1/7，即当输出电压高达400v时，开关管仅需承受约57v的电压。因此，本发明可以采用额定电压低、导通电阻小、成本低廉的低压mosfet作为开关管，同时低压mosfet通常具有更优的开关特性和更低的导通损耗，有利于进一步提升变换器的工作效率。

25、4.本发明能量转换效率高。本发明利用抽头电感的耦合特性，通过多个电容器和二极管的组合，实现了输入能量在开关管导通和关断两个阶段的充分利用：开关管导通时，输入电源为第一绕组储能，同时第二绕组通过相应二极管为电容器充电；开关管关断时，各电容器与抽头电感串联叠加后向负载供电。能量在整个开关周期内均能被有效传输，避免了传统变换器中可能存在的能量回馈损耗，变换效率得到显著提升。

26、5.本发明可应用于光伏发电、燃料电池发电等新能源分布式发电系统的前级直流升压环节。本发明所提升压电路结构简单、体积小、成本低，适用于将光伏电池板或燃料电池堆输出的低压直流电提升至并网逆变器或直流母线所需的电压等级。