一种高增益的DC-DC升压电路的制作方法

本发明涉及dc-dc变换器，尤其涉及一种高增益的dc-dc升压电路。

背景技术：

1、光伏发电技术作为可再生能源的重要组成部分，正在全球范围内的受到广泛关注并快速发展。

2、单个光伏电池(通常称为光伏电池单体)的输出电压相对较低，一般在0.5-0.8伏范围内，难以满足实际应用中的电压和功率需求。因此，需通过将多个光伏电池串联，形成具有更高输出电压的光伏组件(也称为光伏电池板或光伏模块)。为进一步满足不同规模电力系统的电压和功率要求，这些光伏组件可根据具体系统设计需求，灵活采用串联或并联的组合方式，以构建光伏阵列，实现更高的电压或电流输出。

3、然而，光伏系统在实际运行中面临一个巨大的技术挑战：部分阴影遮挡(如云层、树叶、灰尘等)可能导致光伏阵列中部分组件输出功率大幅下降，进而影响整体系统效率。这一现象源于传统串联结构中“短板效应”——当串联组件中任意一个被遮挡时，其电流受限会导致整个串联支路的功率输出降低。

4、为解决这一问题，研究人员提出了基于并行拓扑结构的光伏系统设计。该架构通过为每个光伏组件单独配置专用dc-dc转换器(如微型逆变器或功率优化器)，实现了组件间的电气解耦。

5、尽管光伏技术通过组件优化与阵列设计取得了显著进展，但其直流输出电压仍相对较低，通常集中在15v至45v范围内。这一电压水平难以直接满足中高压电力电子设备(如电网并网逆变器、储能系统等)的输入要求，因此需依赖高增益dc-dc转换器将电压提升至实际应用所需的数百伏甚至更高水平。

6、dc-dc变换器在此类系统中扮演核心角色，其核心功能是通过调整电压转换比(vout/vin)，将光伏阵列的低输出电压升压至目标值。然而，传统boost型升压变换器在高占空比(如0.9以上)运行时面临技术瓶颈：过高的占空比会加剧开关损耗、降低转换效率，并引发严重的电磁干扰(emi)，从而限制系统可靠性和功率密度。为突破这一限制，亟需开发新型高增益拓扑结构。

7、隔离型dc-dc变换器通过高频变压器实现电气隔离，并利用高变比提升电压增益。尽管其具备天然的电气隔离优势，但仍存在以下缺陷：

8、1)漏感问题：变压器漏感会在开关瞬间产生电压尖峰，加剧功率器件应力；

9、2)成本与体积：高变比变压器需增加绕组匝数，导致成本上升且体积庞大，不利于分布式光伏系统的紧凑化设计；

10、3)运输限制：大尺寸变压器在运输、安装过程中面临额外挑战。

11、当负载无需电气隔离时，非隔离型dc-dc变换器成为更优选择。为提升其电压增益，研究者提出了多种技术路径：

12、1)电压倍增单元(vmc)：利用电容储能与开关控制实现电压叠加，但输出纹波较大；

13、2)开关电感与电压提升(vl-sl)技术：结合电感储能与电容放电，但增益-效率权衡受限。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种高增益的dc-dc升压电路，用以解决现有用于光伏等升压场景的非隔离型dc-dc变换器输出纹波较大，且增益-效率权衡受限的问题。

2、本发明实施例提供了一种高增益的dc-dc升压电路，所述升压电路包括二次升压拓扑单元、开关电感电容升压单元、二极管开关d5、输出电容co，所述二次升压拓扑单元与开关电感电容升压单元级联，依次对输入电压进行升压；二次升压拓扑单元中设置有开关管s1；二极管开关d5的负极连接输出电容co的一端，二极管开关d5的正极、输出电容co的另一端分别连接开关电感电容升压单元的正、负输出端；输出电容co的两端作为所述升压电路的输出端；当开关管s1断开时，二极管开关d5导通，开关电感电容升压单元为输出电容co充电，当开关管s1断开或导通时，输出电容co均对负载放电。

3、进一步的，二次升压拓扑单元还包括电感l1、开关支路、电容支路、电感l2；所述开关支路和电容支路并联，并联后一端连接电感l1的一端，并联后另一端连接输入电源vin的负极并且作为二次升压拓扑单元的负输出端；电感l1另一端连接输入电源vin的正极；电容支路包括串联的电容c1和第一开关；电容c1和第一开关的连接点还连接电感l2的一端；开关支路包括串联的开关管s1和第二开关；开关管s1和第二开关的连接点还连接电感l2的另一端，该连接点作为二次升压拓扑单元的正输出端。

4、进一步的，第一开关为二极管d1，d1正极连接电感l1,负极连接电容c1。

5、进一步的，第二开关为二极管d2，d2正极连接电感l1,负极连接开关管s1。

6、进一步的，开关管s1为n沟道场效应管，s1的栅极接收外部开关控制信号，s1的漏极连接第二开关；s1的源极连接输入电源vin的负极。

7、进一步的，开关电感电容升压单元包括开关电感电容升压电路、电容c3；所述开关电感电容升压电路和电容c3串联。

8、进一步的，开关电感电容升压电路包括第一电容支路，第二电容支路，电感支路；所述第一电容支路与电感支路并联,并联后一端连接二次升压拓扑单元的正输出端，并联后另一端连接第二电容支路的一端；电感支路包括第三开关和电感l3，第三开关和电感l3的连接点与第二电容支路的另一端连接，第三开关和电感l3的连接点同时与电容c3一端连接，电容c3另一端连接二次升压拓扑单元的负输出端。

9、进一步的，第二电容支路包括串联的第四开关和电容c4。

10、进一步的，第三开关为二极管d3,二极管d3的负极与电感l3的一端连接，二极管d3的正极与二次升压拓扑单元的正输出端连接。

11、进一步的，第四开关为二极管d4，d4的负极连接电容c4，d4的正极连接二极管d3的负极同时连接电容c3的一端。

12、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

13、1、本发明一种高增益的dc-dc升压电路包括二次升压拓扑单元、开关电感电容升压单元、二极管开关d5、输出电容co，所述二次升压拓扑单元与开关电感电容升压单元级联，依次对输入电压进行升压；二次升压拓扑单元中设置有开关管s1；二极管开关d5的负极连接输出电容co的一端，二极管开关d5的正极、输出电容co的另一端分别连接开关电感电容升压单元的正负输出端；输出电容co的两端作为所述升压电路的输出端；当开关管s1断开时，二极管开关d5导通，开关电感电容升压单元为输出电容co充电，当开关管s1断开或导通时，输出电容co均对负载放电，兼具低开关应力和连续输出电流的特点。

14、2、本发明中二次升压拓扑单元还包括电感l1、开关支路、电容支路、电感l2；开关电感电容升压电路包括第一电容支路，第二电容支路，电感支路；电感支路包括第三开关和电感l3。对电感l1、l2、l3,基于伏秒平衡原理，得出整个dc-dc升压电路输出输入之间的变比关系为：能够在低占空比(d为占空比)下，获得高电压增益，确保高效率和最佳性能。

15、3、本发明高增益的dc-dc升压电路只应用了一个开关管s1，控制简单，而且二次升压拓扑单元、开关电感电容升压单元中设置了多层lc滤波结构，因此输出电压纹波较小。

16、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。