基于光伏电站开关电容的改进高增益升压电路

张立民

摘要：在光伏并网发电应用中，针对传统升压电路转换器电压增益低，电路拓扑结构复杂等特点，本文提出了一种基于开关电容的改进高增益升压电路，论文对改电路拓扑结构进行了理论和仿真分析，分析结果表明新型高增益电路相对传统开关电容电路，输出电压输出增益更高，并与传统升压电路进行对比，充分验证了改进高增益电路的拓扑结构的正确性与可行性。

关键词：开关电容;高增益;升压电路

导言：

随着全球能源短缺和环境污染等问题日益突出，光伏发电因其清洁、安全、便利、高校等特点，已成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业。在光伏发电中，通常使用DC-DC电路将光伏电池最大功率跟踪后的电压进行放大，再经过逆变电路将直流电压转换成220V/50Hz的交流电。而并网逆变器需要输入高压直流，传统做法是将多个光伏组件串联以获取高压直流，但这种方法存在阴影问题和可靠性低的问题。针对上述的问题，有学者使用隔离升压的方式实现电压高增益，但隔离升压电路采用变压器使电路结构变得笨重，另外也有学者使用高增益电路实现升压过程，但电压增益不能满足高电压增益的要求。

为了电压高增益的问题，本文提出一种改进开关电容的高增益电压输出电路，并对改进电路进行了理论和仿真分析。

1 開关电容电路拓扑结构及工作原理

开关电容电路的本质是利用电容的充放电特性，将电容C1和电子开关管S1组合，电路拓扑结构如图1所示。当开关管S1导通时，电容C1和电感L1并联，电源V1-L1-S1形成闭合回路，电源V1给电感L1充电;且V1-D1-C1-S1形成闭合回路，电源V1给电容C1充电。当开关管S1断开时，电源V1、L1、C1串联对负载放电，实现串联升压过程。

2 改进开关电容电路

2.1 改进开关电容电路拓扑结构

基于开关电容电路，设计了改进型的新型电路，电路拓扑结构如图2所示：

2.2 电路原理

为了便于对改进开关电容电路进行分析，首先作一下假设：

（1）有的元器件均为理想型器件，不考虑寄生参数的影响;（2）中的电感足够大，使电路工作在CCM（连续导通模式）;（3）中的电容足够大，在一个开关周期内，其两端电压基本不变。

开关管S1、S2、S3同时导通和关断，电路能够工作两种不同的工作模式下：

模式一：S1、S2、S3导通，此时电路形成四个不同的回路：V1-L1-S1，V1-D1-C1-S1，V1-D1-S2-L3，V1-D1-L2-S3，电源V1分别给电感L1，C1，L2，L3充电;

模式二：S1、S2、S3关断，此时D1左端电压比右端电压低，D1截止，V1、L1、C1、L2、L3串联，通过二极管D2给负载R1供电。

经过计算，可以推导出改进开关电容电路的电压增益为：  G=（3-D）/（1-D）

公式中D为开关管驱动信号的占空比，有公式可知，当开关管驱动信号占空比为0.5时，改进开关电容升压电路输出电压增益为5，而传统的BOOST电路的电压增益为2;相比传统的升压电路增益，改进开关电容电路的电压增益明显增大。

3 电路仿真验证

为验证改进开关电容升压电路的正确性与可行性，利用PSIM软件对电路进行仿真验证，搭建了改进开关电容电路的仿真模型，其中电路参数如表1所示。

在开关管工作频率为50Hz，导通占空比D=0.5时，根据增益公式计算理论输出电压为100，仿真模型输出电压为98.7V;当导通占空比D=0.6时，根据增益公式计算理论输出电压为6，仿真模型输出电压为125V。输出电压波形如图3所示。

4 结论

本文提出了一种基于开关电容电路的改进型电路，实现了输出电压的高增益，通过理论分析和仿真验证，对电路进行验证分析，利用PSIM软件仿真分析，结果辨明改进开关电容电路能够实现高增益过程，充分表明了改进型电路的有效性和正确性。

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