CN107733224B

CN107733224B - 一种用于准z源三电平直流升压变换器的双频调制方法

Info

Publication number: CN107733224B
Application number: CN201710859192.5A
Authority: CN
Inventors: 王萍; 傅传智; 张云
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2019-10-15
Anticipated expiration: 2037-09-21
Also published as: CN107733224A

Abstract

本发明公开了一种用于准Z源三电平直流升压变换器的双频调制方法，所述双频调制方法应用于燃料电池电动汽车，包括以下步骤：获取四种功率开关状态在一个工作周期内所占时间的表达式；将功率开关的驱动信号调制度设置为1/3<m<1，获取在电流连续模式时，电感L₁和L₂满足的伏秒平衡关系式；通过时间的表达式、以及伏秒平衡关系式获取各电容的电压应力表达式，进而得到电压增益；根据电压应力表达式、以及电压增益获取电容的电压应力；同时得出所有功率器件关断时承受的电压应力。本发明在不改变拓扑器件数量的前提下，提高拓扑的电压增益，保留原有功率器件电压应力低的优点，使拓扑更加适用于燃料电池的电压变换场合。

Description

一种用于准Z源三电平直流升压变换器的双频调制方法

技术领域

本发明涉及电力电子功率变换调制技术领域，尤其涉及一种用于准Z源三电平直流升压变换器的双频调制方法，该双频调制方法可应用于燃料电池电动汽车。

背景技术

随着汽车数量的增加，全球范围内汽车尾气的排放对环境产生的污染越来越受到人们的重视，各国政府正在加大对新能源汽车的开发与研究。由于燃料电池是通过氢与氧的化学反应产生电能，反应的产物为水，对环境无污染，而且目前燃料电池运行比较高效可靠。故燃料电池电动汽车成为新能源电动汽车的重要组成部分。但由于燃料电池在实际应用中输出特性较软，存在随着输出电流的增加，输出电压不断降低的特性。故需要通过宽电压增益的升压直流变换器来将燃料电池输出端的宽范围变化的低电压升到直流母线侧的稳定的高电压(例如400V)，再通过逆变器转换为120/240V的交流电压驱动电机。

在适用于燃料电池的宽增益升压直流变换器拓扑的研究方面，应用于燃料电池电动汽车的宽输入电压范围的准Z源三电平升压直流变换器拓扑得以提出。

由于该变换器工作时采用的180度移相调制策略仅包含了三种开关状态，即缺少S₁S₂＝00的开关状态，无法真正的适用于燃料电池的电压变换场合。

发明内容

本发明提供了一种用于准Z源三电平直流升压变换器的双频调制方法，本发明在不改变拓扑器件数量的前提下，提高拓扑的电压增益，保留原有功率器件电压应力低的优点，使拓扑更加适用于燃料电池的电压变换场合，详见下文描述：

一种用于准Z源三电平直流升压变换器的双频调制方法，所述双频调制方法应用于燃料电池电动汽车，包括以下步骤：

获取四种功率开关状态在一个工作周期内所占时间的表达式；

将功率开关的驱动信号调制度设置为1/3<m<1，获取在电流连续模式时，电感L₁和L₂满足的伏秒平衡关系式；

通过时间的表达式、以及伏秒平衡关系式获取各电容的电压应力表达式，进而得到电压增益；

根据电压应力表达式、以及电压增益获取电容的电压应力；同时得出所有功率器件关断时承受的电压应力。

所述电压增益为：

其中，m为调制度。

所述所有功率器件关断时承受的电压应力为：U_O/2，U_O为输出电压。

所述根据电压应力表达式、以及电压增益获取电容的电压应力为：

其中，m为调制度，U_O为输出电压。

所述功率开关的驱动信号调制度设置为1/3<m<1时，保证“11→10→11→01→00→01”6个开关状态过程都存在。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明针对适用于燃料电池的宽电压输入的准Z源三电平升压直流变换器拓扑，提出一种新型的双频180度移相调制方法；

2、在本方法提出的新型调制策略控制下，准Z源三电平升压直流变换器在保留原有调制策略的输入电流纹波小，器件电压应力低的优点之外，可以实现更高的电压增益；

3、本方法针对该拓扑，在一个开关周期内引入S₁S₂＝00开关状态；

4、在本方法提出的新型的双频180度移相调制策略的控制下，准Z源三电平升压直流变换器拓扑更适用于燃料电池的电压变换场合。

附图说明

图1为一种用于准Z源三电平直流升压变换器的双频调制方法的流程图；

图2为准Z源三电平升压直流变换器拓扑示意图；

图3为双频180度移相调制策略控制下准Z源三电平升压直流变换器拓扑的主要工作波形示意图；

图4为两个开关同时导通时等效回路图；

图5为开关S₁关断S₂导通时等效回路图；

图6为两个开关同时关断时等效回路图；

图7为开关S₁导通S₂关断时等效回路图。

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，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

为了使宽输入电压范围的准Z源三电平升压直流变换器拓扑更适用于燃料电池的电压变换场合，本发明实施例针对该拓扑提出了一种用于准Z源三电平直流升压变换器的双频调制方法，参见图1，该方法包括以下步骤：

101：获取四种功率开关状态在一个工作周期内所占时间的表达式；

102：将功率开关的驱动信号调制度设置为1/3<m<1，获取在电流连续模式时，电感L₁和L₂满足的伏秒平衡关系式；

103：通过时间的表达式、以及伏秒平衡关系式获取各电容的电压应力表达式，进而得到电压增益；

104：根据电压应力表达式、以及电压增益获取电容的电压应力；同时得出所有功率器件关断时承受的电压应力。

综上所述，在新型双频180度移相调制方法的控制下，宽电压输入的准Z源三电平升压直流变换器拓扑中所有器件承受的电压值最大为输出电压的一半，电压应力较低。

实施例2

下面结合图1、图2、以及具体的计算公式对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

201：获取2个功率开关(Q₁和Q₂)的四种功率开关状态在一个工作周期内所占时间的表达式；

(1)宽电压增益

图2所示的拓扑中的电容值与电感值为无穷大，即拓扑稳定运行时，电容上的电压值与电感流过的电流值近似恒定。

图2所示拓扑中的所有器件均为理想器件(功率开关不考虑导通压降和导通内阻，无源器件不考虑寄生参数)。

2个功率开关(Q₁和Q₂)的四种功率开关状态(11、01、00、10)在一个周期内所占用的时间分别用t₁、t₂、t₃和t₄表示。功率开关Q₁的驱动信号的载波频率用f表示，则功率开关Q₂的驱动信号的载波频率为2f，功率开关Q₁和功率开关Q₂的驱动信号的调制度用m表示，结合图3(a～c)可得四种功率开关状态在一个工作周期内所占时间的表达式如式(1)所示。

202：为了保证“11→10→11→01→00→01”6个开关状态过程都存在，功率开关Q₁和功率开关Q₂的驱动信号的调制度m为：1/3<m<1，获取拓扑工作在电流连续模式时，在一个工作周期内，电感L₁和L₂满足伏秒平衡关系式，如式(2)所示。

203：通过四种功率开关状态在一个工作周期内所占时间的表达式、以及伏秒平衡关系式获取拓扑中各个电容的电压应力表达式，进而得到拓扑的电压增益；

由式(1)和式(2)整理可得拓扑中各个电容的电压应力表达式，如式(3)所示。

因此，根据式(3)可得在双频180度移相调制策略下的拓扑的电压增益M为：

式中1/3<m<2/3。

204：根据拓扑中各个电容的电压应力表达式、以及拓扑的电压增益获取拓扑中电容的电压应力；同时得出拓扑中的所有功率器件关断时承受的电压应力。

(2)低电压应力

根据式(3)和(4)可得拓扑中电容的电压应力为：

同时可以推导出，拓扑中的所有功率器件(包括：功率开关、二极管)关断时承受的电压应力均为U_O/2。

综上所述，通过以上分析可得，在新型双频180度移相调制方法的控制下，宽电压输入的准Z源三电平升压直流变换器拓扑中所有器件承受的电压值最大为输出电压的一半，电压应力较低。

实施例3

下面结合图3-图7对实施例1和2中的方案做进一步地介绍，详见下文描述：

图3所示的双频180度移相调制策略控制下准Z源三电平升压直流变换器拓扑主要工作波形，以及图4、图5、图6和图7的拓扑等效回路图，对本发明的原理进行说明。在一个载波周期内，变换器共经历四个开关状态，下面分别对四个开关状态进行说明：

(1)两个开关同时导通时，该状态的等效回路图如图4所示。根据图3对应的S₁S₂＝11开关状态时的波形图可知，在此状态下，两个功率开关均导通，二极管D₁-D₃均关断。因此，U_in与电容C₁串联，通过二极管D_FC、功率开关Q₁和Q₂给电感L₁充电；电容C₂放电，通过功率开关Q₁和Q₂给电感L₂充电；由于功率开关Q₁和Q₂的导通，以及二极管D₂和D₃的关断，电容C_fly负极接地，正极悬空，故电容C_fly在此状态下电容电压保持不变；电容C₃放电，为负载R供电。

(2)开关S₁关断S₂导通时，该状态的等效回路图如图5所示。根据图3的工作波形，在该状态下，功率开关Q₁和二极管D₃关断，功率开关Q₂、二极管D₁和D₂导通。因此，U_in和电感L₁串联，通过二极管D_FC和二极管D₁给C₂充电；U_in、电感L₁和L₂串联，通过二极管D_FC、D₁、D₂和功率开关Q₂给电容C_fly充电；电感L₂通过二极管D₁给电容C₁充电；电容C₃放电，为负载R供电。

(3)两个开关同时关断时，该状态的等效回路图如图6所示。根据图3的工作波形，在该状态下，功率开关Q₁、Q₂和D₃关断，二极管D₁和D₂导通。因此，U_in与电感L₁串联，通过二极管D_FC与D₁向电容C₂充电；电感L₂通过二极管D₁向电容C₁充电；由于功率开关Q₁与Q₂均关断，电容C_fly负极悬空，电容C_fly没有充放电回路，故电容C_fly的电容电压保持不变；C₃放电，为负载R供电。

(4)开关S₁导通S₂关断时，该状态的等效回路图如图7所示。根据图3的工作波形，在该状态下，二极管D₁、D₃和功率开关Q₁导通，二极管D₂和功率开关Q₂关断。因此，U_in与电感L₁串联，通过二极管D_FC和D₁给电容C₂充电；电感L₂通过二极管D₁给电容C₁充电；U_in、电感L₁、L₂和电容C_fly串联，通过二极管D_FC、D₁、功率开关Q₁和二极管D₃给电容C₃和负载R供电。

综上所述，在本方法提出的双频180度移相调制策略的控制下，准Z源三电平升压直流变换器拓扑电压增益得到很大提高，更加适用于燃料电池单向升压场合。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于准Z源三电平直流升压变换器的双频调制方法，其特征在于，所述双频调制方法应用于燃料电池电动汽车，包括以下步骤：

1)获取四种功率开关状态在一个工作周期内所占时间的表达式；

2)将功率开关的驱动信号调制度设置为1/3<m<1，获取在电流连续模式时，电感L₁和L₂满足的伏秒平衡关系式；

3)通过时间的表达式、以及伏秒平衡关系式获取各电容的电压应力表达式：

进而得到电压增益，具体为：

4)根据电容的电压应力表达式、以及电压增益获取电容的电压应力，具体为：

其中，m为调制度，U_O为输出电压；

5)得出所有功率器件关断时承受的电压应力；

其中，准Z源三电平直流升压变换器的拓扑结构为：电源U_in的正极与二极管D_FC的阳极相连，二极管D_FC的阴极与电感L₁的近输入端相连，L₁的远输入端与二极管D₁的阳极和电容C₁的负极相连，二极管D₁的阴极与电容C₂的正极和电感L₂的近输入端相连，电感L₂的远输入端与电容C₁的正极，二极管D₂的阳极和开关S₁的漏极相连于p点，开关S₁的源极与电容C_fly的负极和开关S₂的漏极相连，二极管D₂的阳极与电容C_fly的正极和二极管D₃的阳极相连，二极管D₃的阴极与电容C₃的正极相连，U_in的负极与电容C₂的负极，开关S₂的源极，电容C₃的负极相连于n点。

2.根据权利要求1所述的一种用于准Z源三电平直流升压变换器的双频调制方法，其特征在于，所述所有功率器件关断时承受的电压应力为：U_O/2，U_O为输出电压。

3.根据权利要求1所述的一种用于准Z源三电平直流升压变换器的双频调制方法，其特征在于，所述功率开关的驱动信号调制度设置为1/3<m<1时，保证“11→10→11→01→00→01”6个开关状态过程都存在。