升压电路及其控制方法
阅读说明：本技术 升压电路及其控制方法 (Boost circuit and control method thereof ) 是由 张朋 邢瑞强 李计福 于 2019-11-04 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种升压电路及其控制方法,升压电路中,储能电容的第一端分别与输入电压的正极和升压电感的第一端连接,第二端分别与输入电压的负极和反向整流二极管的负极连接；升压电感的第二端与正向整流二极管的正极连接；正向整流二极管的负极与输出电压的正极连接；反向整流二极管的正极与输出电压的负极连接；正向整流二极管的正极作为第1个节点,反向整流二极管的负极作为第N+1个节点；第n个开关组件分别与第n个节点和第n+1个节点连接；第m个分压组件分别与第m个节点和第m+1个节点连接；第1个分压组件分别与输出电压的正极和第2个节点连接；第N个分压组件分别与第N个节点和输出电压的负极连接；N个开关组件交错导通。(The invention relates to a booster circuit and a control method thereof, wherein in the booster circuit, a first end of an energy storage capacitor is respectively connected with a positive pole of an input voltage and a first end of a boosting inductor, and a second end of the energy storage capacitor is respectively connected with a negative pole of the input voltage and a negative pole of a reverse rectifier diode; the second end of the boost inductor is connected with the anode of the forward rectifying diode; the cathode of the forward rectifying diode is connected with the anode of the output voltage; the positive pole of the reverse rectifying diode is connected with the negative pole of the output voltage; the positive pole of the forward rectifier diode is used as the 1 st node, and the negative pole of the reverse rectifier diode is used as the (N + 1) th node; the nth switch component is respectively connected with the nth node and the (n + 1) th node; the mth voltage division component is respectively connected with the mth node and the (m + 1) th node; the 1 st voltage division component is respectively connected with the anode of the output voltage and the 2 nd node; the Nth voltage division component is respectively connected with the Nth node and the negative electrode of the output voltage; the N switch components are conducted in a staggered mode.)
技术领域
本发明涉及电路技术领域，具体涉及一种升压电路及其控制方法。
背景技术
不可再生资源存量日益紧张，绿色清洁能源越来越受到重视。光伏作为一种清洁能源，其发电技术一直备受关注。但太阳能电池板的特性受环境影响很大，如果直接使用，太阳能利用率较低，一般都会加入升压电路以提高利用率。目前被广泛应用的升压电路是BOOST电路，它具有技术成熟，控制简单，元件较少，效率高等优点。
但随着光伏系统功率和电压水平的提高，传统的两电平BOOST电路中的元器件所承受的电压应力也在提高，开关器件的损耗增大，对器件性能的要求更高，以至于难以选择适配的器件，同时，高的电压变化率也会导致严重的电磁干扰。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种升压电路及其控制电路，以降低元件电压应力，适应高电平电压需求。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种升压电路，用于对输入电压进行升压并输出，所述升压电路包括：储能电容，升压电感，N个开关组件，正向整流二极管，反向整流二极管，N个分压组件；
所述储能电容的第一端分别与所述输入电压的正极和所述升压电感的第一端连接，第二端分别与所述输入电压的负极和所述反向整流二极管的负极连接；
所述升压电感的第二端与所述正向整流二极管的正极连接；
所述正向整流二极管的负极与输出电压的正极连接；
所述反向整流二极管的正极与所述输出电压的负极连接；
所述正向整流二极管的正极作为第1个节点，所述反向整流二极管的负极作为第N+1个节点；
第n个所述开关组件分别与第n个节点和第n+1个节点连接，1≤n≤N；
第m个所述分压组件分别与第m个节点和第m+1个节点连接，2≤m≤N-1；
第1个所述分压组件分别与所述输出电压的正极和第2个节点连接；
第N个所述分压组件分别与第N个节点和所述输出电压的负极连接；
所述N个开关组件交错导通。
可选的，还包括：控制模块；
所述控制模块分别与所述N个开关组件连接，用于控制所述N个开关组件交错导通。
可选的，所述控制模块包括依次相连的采样电路、控制芯片和驱动电路；
所述驱动电路分别与所述N个开关组件连接；
所述采样电路包括输入电压采样支路、输出电压采样支路、输入电流采样支路、输出电流采样支路、N个分压组件电压采样支路；
其中，所述输入电流采样支路设置在所述输入电压的正极或者负极处，用于采集输入电流；
所述输出电流采样支路设置在所述输出电压的正极或者负极处，用于采集输出电流；
所述输入电压采样支路连接所述输入电压的正极和负极，用于采集输入电压；
所述输出电压采样支路连接所述输出电压的正极和负极，用于采集输出电压；
所述N个分压组件电压采样支路分别一一对应连接所述N个开关组件，用于采集各分压组件电压；
所述控制芯片，用于对所述采样电路采集的输入电压、输出电压、输入电流、输出电流、各分压组件电压进行处理，生成N个PWM控制信号，并将所述N个PWM控制信号发送给所述驱动电路生成对应的N个驱动信号，以控制所述N个开关组件交错导通。
可选的，所述控制芯片具体用于：
将采集的所述输入电压、所述输出电压、所述输入电流、所述输出电流输入最大频率跟踪控制单元，计算得到基准电压；
对采集的所述各分压组件电压做差，计算得到偏差电压；
利用所述偏差电压对所述基准电压进行调节，得到N个PWM调制信号。
可选的，所述驱动电路包括：N个相同的驱动支路；
N个所述驱动支路与N个所述开关组件一一对应相连，分别用于控制对应的所述开关组件导通和截止。
可选的，第x个开关组件与第N+1-x个开关组件的导通相位差为180度，1≤x≤N。
可选的，每一个所述开关组件包括：至少一个开关管。
可选的，每一个所述分压组件包括：至少一个分压电容。
可选的，所述驱动支路包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一二极管、第二二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一三极管、第二三极管、隔离光耦；
所述隔离光耦的第一端连接所述第三电阻的第一端，所述第三电阻的第二端连接所述第一二极管的第一端和所述第二二极管的第一端，所述第一二极管的第二端连接所述第二电阻的第一端、所述第一电容的第一端、所述第一电阻的第一端；
所述隔离光耦的第二端、所述第二二极管的第二端、所述第二电阻的第二端、所述第一电容的第二端接地；
所述隔离光耦的第三端连接所述第二电容的第一端、第一电源、所述第一三极管的集电极；
所述隔离光耦的第四端连接所述第六电阻的第一端，
所述隔离光耦的第五端连接所述第三电容的第一端、所述第四电阻的第一端、所述第四电容的第一端、所述第二三极管的集电极、第二电源，所述第四电阻的第二端连接所述第五电阻的第一端，所述第五电阻的第二端连接所述第六电阻的第二端、所述第四电容的第二端、所述第一三极管的基极、所述第二三极管的基极，所述第一三极管的发射极和所述第二三极管的发射极相连作为驱动信号第一输出端；
所述第二电容的第二端与所述第三电容的第二端相连作为驱动信号第二输出端；
所述第一电阻的第二端作为PWM调制信号输入端。
一种升压电路控制方法，应用于如上任一项所述的升压电路中，包括：
采样电路采集输入电压、输出电压、输入电流、输出电流、各分压组件电压；
所述控制芯片对采集的所述输入电压、所述输出电压、所述输入电流、所述输出电流、所述各分压组件电压进行处理生成PWM控制信号；
所述驱动电路根据所述PWM控制信号生成驱动信号，驱动N个开关组件交错导通。
本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本申请提供的升压电路，用于对输入电压进行升压并输出，其中包括N个开关组件和分别一一对应设置的N个分压组件，N个分压组件对输出电压进行分压，相应的，N个开关组件的电压应力也得到降低，损耗减小，器件的选型也更为简便，同时，也能相应减少电磁干扰。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种升压电路的电路结构图。
图2是本发明实施例提供的一种控制模块的电路结构示意图。
图3是本发明实施例提供的一种驱动支路的电路结构示意图。
图4是本发明实施例提供的一种升压电路控制方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
本申请提供了一种升压电路，用于对输入电压进行升压并输出，升压电路包括：储能电容，升压电感，N个开关组件，正向整流二极管，反向整流二极管，N个分压组件；
储能电容的第一端分别与输入电压的正极和升压电感的第一端连接，第二端分别与输入电压的负极和反向整流二极管的负极连接；
升压电感的第二端与正向整流二极管的正极连接；
正向整流二极管的负极与输出电压的正极连接；
反向整流二极管的正极与输出电压的负极连接；
正向整流二极管的正极作为第1个节点，反向整流二极管的负极作为第N+1个节点；
第n个开关组件分别与第n个节点和第n+1个节点连接，1≤n≤N；
第m个分压组件分别与第m个节点和第m+1个节点连接，2≤m≤N-1；
第1个分压组件分别与输出电压的正极和第2个节点连接；
第N个分压组件分别与第N个节点和输出电压的负极连接；
N个开关组件交错导通。
本申请提供的升压电路，用于对输入电压进行升压并输出，其中包括N个开关组件和分别一一对应设置的N个分压组件，N个分压组件对输出电压进行分压，相应的，N个开关组件的电压应力也得到降低，损耗减小，器件的选型也更为简便，同时，也能相应减少电磁干扰。
根据N的取值不同，可以构成具体结构不同的多电平升压电路，但是电路原理是相似的，都采用了分压的原理，为了便于理解和说明，在实施例部分，将以三电平升压电路(即N取值为2)为例，进行详细的说明。
参见图1，图1是本发明一个实施例提供的一种升压电路的电路结构图。如图1所示，本实施例提供的升压电路是一种三电平升压电路，也就是N取值为2时的电路结构，具体包括：储能电容C1，升压电感L1，开关组件Q1、Q2，正向整流二极管D1，反向整流二极管D2，分压组件C2、C3；
储能电容C1的第一端分别与输入电压的正极Vin+和升压电感L1的第一端连接，第二端分别与输入电压的负极Vin-和反向整流二极管D2的负极连接；
升压电感L1的第二端与正向整流二极管D1的正极连接；
正向整流二极管D1的负极与输出电压的正极Vout+连接；
反向整流二极管D2的正极与输出电压的负极Vout-连接；
正向整流二极管D1的正极作为第1个节点P1，反向整流二极管D2的负极作为第3个节点P3；
第1个开关组件Q1的集电极与第1个节点P1连接，发射极与第2个节点P2连接；
第2个开关组件Q2的集电极与第2个节点P2连接，发射极与第3个节点P3连接；
第1个分压组件C2分别与输出电压的正极Vout+和第2个节点P2连接；
第2个分压组件C3分别与第2个节点P2和输出电压的负极Vout-连接；
2个开关组件Q1与Q2交错导通。
两个分压组件C2与C3实现分压，2个开关组件Q1与Q2交错导通，所受电压应力减小，损耗减小。
在本实施例中，开关组件Q1、Q2是一个开关管，比如可以是三极管等，在其它实施例当中，也可以由多个开关管并联组成一个开关组件，不同开关组件之间交错导通，同一个开关组件中的开关管因为是并联的关系，所以时序是一致的。
为实现对两个开关组件的导通时间和占空比的精确控制，可选的，本实施例提供的升压电路还包括控制模块，控制模块分别与2个开关组件Q1、Q2连接，用于控制2个开关组件Q1、Q2交错导通。
参见图2，图2是本发明实施例提供的一种控制模块的电路结构示意图。如图2所示，控制模块包括依次相连的采样电路21、控制芯片22和驱动电路23；
驱动电路23分别与2个开关组件Q1、Q2连接；
采样电路21包括输入电压采样支路211、输出电压采样支路212、输入电流采样支路213、输出电流采样支路214、第一分压组件电压采样支路215、第二分压组件电压采样支路216；
其中，输入电流采样支路213设置在输入电压的正极或者负极处，用于采集输入电流；
输出电流采样支路214设置在输出电压的正极或者负极处，用于采集输出电流；
输入电压采样支路211连接输入电压的正极和负极，用于采集输入电压；
输出电压采样支路212连接输出电压的正极和负极，用于采集输出电压；
第一分压组件电压采样支路215连接分压组件C2，用于采集分压组件C2的电压；
第二分压组件电压采样支路216连接分压组件C3，用于采集分压组件C3的电压；
控制芯片22，用于对采样电路21采集的输入电压、输出电压、输入电流、输出电流、两个分压组件电压进行处理，生成2个PWM控制信号，并将2个PWM控制信号发送给驱动电路23生成对应的2个驱动信号，以控制2个开关组件Q1、Q2交错导通。
电流采样支路可以采用电流霍尔互感器，电压采样支路可以采用差分采样电路，这两种采样电路都是相关技术中的常用电路，具体的电路结构和原理就不再赘述，当然也可以使用其它的采样电路。
控制芯片可以采用型号为TMS320F28035的芯片，实现基本功能的周围电路的设置都可以参考相关技术实现，这里不再一一赘述。
具体的，驱动电路包括：2个相同的驱动支路，2个驱动支路与2个开关组件一一对应相连，接收控制芯片发送的2个PWM控制信号，对应生成2个驱动信号，分别控制对应的开关组件导通和截止。
在升压电路的实际应用中，为了提高太阳能的利用率，一般会添加最大功率跟踪(MPPT)功能，通过对控制芯片内部程序的设定，可以实现此MPPT功能，这在相关技术中也可以找到具体的实现方式，本申请将直接引用最大功率跟踪的控制逻辑。
另外，上述实施例中提出的以三电平升压电路为例的多电平升压电路，虽然多个分压组件可以实现分压，但在实际的应用过程中，受到电子器件和后级输出差异的影响，各个分压组件的分压可能是不均衡的，所以，在极端情况下，若某一个分压组件分压过高，依然会造成电压应力过高的现象，基于此，在控制芯片中最大功率跟踪控制的基础上可以再加入均压环路，通过均衡各个分压组件的分压来平衡各个器件的电压应力，因此在上述实施例中，采样电路的部分也相应地加入了对各个分压组件进行电压采集的支路。
具体的，控制芯片的控制逻辑如下：
将采集的输入电压、输出电压、输入电流、输出电流输入MPPT控制单元，计算得到基准电压；
对采集的各分压组件电压做差，计算得到偏差电压；
利用偏差电压对基准电压进行调节，得到2个PWM调制信号。
利用一个虚拟的可实现最大功率跟踪的模型，对采集到的输入电压、输出电压、输入电流、输出电流进行相应的处理，通过扰动观察法实现最大功率跟踪的功能，同时，输出一个基准电压，用于与两个分压组件的电压进行比较确定调节方向，以实现均压。
采集到的分压组件C2、C3的电压相减会得到一个差值，本申请中称之为“偏差电压”，因为它代表了两个电容分压的偏差，也是电压的调节方向。
利用偏差电压对基准电压进行调节，通过PWM调制，对导通时间进行调节，最终达到均压的效果。
例如，当C2的电压高于下侧电容C1的电压时，增大Q1的导通时间，同时减小Q2的导通时间，以使得两侧电压趋于均衡，即Vout/2。
可选的，第1个开关组件Q1与第2个开关组件Q2的导通相位差为180度。
通过PWM调制可以对导通时序进行调整，经过试验总结，发现Q1与Q2的导通相位差为180度时，产生的输出波纹最小，电压稳定性最高。
参见图3，图3是本发明实施例提供的一种驱动支路的电路结构示意图。如图3所示，驱动支路包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第一二极管D3、第二二极管D4、第一电容C4、第二电容C5、第三电容C6、第四电容C7、第一三极管Q3、第二三极管Q4、隔离光耦OP1；
隔离光耦OP1的第一端连接第三电阻R3的第一端，第三电阻R3的第二端连接第一二极管D3的第一端和第二二极管D4的第一端，第一二极管D3的第二端连接第二电阻R2的第一端、第一电容C4的第一端、第一电阻R1的第一端；
隔离光耦OP1的第二端、第二二极管D4的第二端、第二电阻R2的第二端、第一电容C4的第二端接地；
隔离光耦OP1的第三端连接第二电容C5的第一端、第一电源、第一三极管Q3的集电极；
隔离光耦OP1的第四端连接第六电阻R6的第一端，
隔离光耦OP1的第五端连接第三电容C6的第一端、第四电阻R4的第一端、第四电容C7的第一端、第二三极管Q4的集电极、第二电源，第四电阻R4的第二端连接第五电阻R5的第一端，第五电阻R5的第二端连接第六电阻R6的第二端、第四电容C7的第二端、第一三极管Q3的基极、第二三极管Q4的基极，第一三极管Q3的发射极和第二三极管Q4的发射极相连作为驱动信号第一输出端；
第二电容C5的第二端与第三电容C6的第二端相连作为驱动信号第二输出端；
第一电阻R1的第二端作为PWM调制信号输入端。
其中驱动信号第一输出端连接到开关管的栅极，驱动信号第二输出端连接到开关管的源极，为开关管加电压驱动其导通或截止。
可选的，每一个开关组件包括：至少一个开关管。
可选的，每一个分压组件包括：至少一个分压电容。
参见图4，图4是本发明实施例提供的一种升压电路控制方法的流程图，此方法应用于如上任一实施例所述的升压电路中，如图4所示，本实施例提供的升压电路控制方法包括如下步骤：
S401、采样电路采集输入电压、输出电压、输入电流、输出电流、各分压组件电压。
S402、控制芯片对采集的输入电压、输出电压、输入电流、输出电流、各分压组件电压进行处理生成PWM控制信号。
S403、驱动电路根据PWM控制信号生成驱动信号，驱动N个开关组件交错导通。
本实施例与上述任一实施例具有相同的技术特征，可以达到相同的技术效果，此处不再赘述。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。