基于光伏電站開關電容的改進高增益升壓電路

張立民

摘要：在光伏并網發電應用中，針對傳統升壓電路轉換器電壓增益低，電路拓撲結構復雜等特點，本文提出了一種基于開關電容的改進高增益升壓電路，論文對改電路拓撲結構進行了理論和仿真分析，分析結果表明新型高增益電路相對傳統開關電容電路，輸出電壓輸出增益更高，并與傳統升壓電路進行對比，充分驗證了改進高增益電路的拓撲結構的正確性與可行性。

關鍵詞：開關電容;高增益;升壓電路

導言：

隨著全球能源短缺和環境污染等問題日益突出，光伏發電因其清潔、安全、便利、高校等特點，已成為世界各國普遍關注和重點發展的新興產業。在光伏發電中，通常使用DC-DC電路將光伏電池最大功率跟蹤后的電壓進行放大，再經過逆變電路將直流電壓轉換成220V/50Hz的交流電。而并網逆變器需要輸入高壓直流，傳統做法是將多個光伏組件串聯以獲取高壓直流，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，有學者使用隔離升壓的方式實現電壓高增益，但隔離升壓電路采用變壓器使電路結構變得笨重，另外也有學者使用高增益電路實現升壓過程，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，本文提出一種改進開關電容的高增益電壓輸出電路，并對改進電路進行了理論和仿真分析。

1 開關電容電路拓撲結構及工作原理

開關電容電路的本質是利用電容的充放電特性，將電容C1和電子開關管S1組合，電路拓撲結構如圖1所示。當開關管S1導通時，電容C1和電感L1并聯，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。當開關管S1斷開時，電源V1、L1、C1串聯對負載放電，實現串聯升壓過程。

2 改進開關電容電路

2.1 改進開關電容電路拓撲結構

基于開關電容電路，設計了改進型的新型電路，電路拓撲結構如圖2所示：

2.2 電路原理

為了便于對改進開關電容電路進行分析，首先作一下假設：

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

開關管S1、S2、S3同時導通和關斷，電路能夠工作兩種不同的工作模式下：

模式一：S1、S2、S3導通，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關斷，此時D1左端電壓比右端電壓低，D1截止，V1、L1、C1、L2、L3串聯，通過二極管D2給負載R1供電。

經過計算，可以推導出改進開關電容電路的電壓增益為： ?G=（3-D）/（1-D）

公式中D為開關管驅動信號的占空比，有公式可知，當開關管驅動信號占空比為0.5時，改進開關電容升壓電路輸出電壓增益為5，而傳統的BOOST電路的電壓增益為2;相比傳統的升壓電路增益，改進開關電容電路的電壓增益明顯增大。

3 電路仿真驗證

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

在開關管工作頻率為50Hz，導通占空比D=0.5時，根據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;當導通占空比D=0.6時，根據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 結論

本文提出了一種基于開關電容電路的改進型電路，實現了輸出電壓的高增益，通過理論分析和仿真驗證，對電路進行驗證分析，利用PSIM軟件仿真分析，結果辨明改進開關電容電路能夠實現高增益過程，充分表明了改進型電路的有效性和正確性。

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