CN107919797A - 燃料电池用宽输入范围交错并联型高效升压直流变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力电子功率变换技术领域，为提出一种燃料电池用宽输入范围交错并联型高效升压直流变换器，减小输入电流纹波并提高变换器效率，提高变换器增益并减小功率器件电压应力，使其更加适用于燃料电池的电压变换场合，本发明，燃料电池用宽输入范围交错并联型高效升压直流变换器，由电感L1、L2，电容C1、C2、C3、C4，二极管D1、D2、D3、D4，功率开关Q1、Q2构成，电感L1、功率开关Q1、电容C1和C3以及二极管D1和D2组成反极性输出的直流升压变换器A；电感L2、功率开关Q2、电容C2和C4以及二极管D3和D4组成另一个反极性输出的直流升压变换器B。本发明主要应用于电力电子功率变换场合。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子功率变换技术领域，尤其涉及一种燃料电池用宽输入范围交错并联型高效升压直流变换器，属于燃料电池单向升压直流变换器应用场合。具体讲,涉及燃料电池用宽输入范围交错并联型高效升压直流变换器。
背景技术
随着化石燃料的大量开采和利用，引发了一系列的能源问题和环境问题。解决环境问题的关键是要从根本上解决能源结构问题,研究开发清洁能源技术。而燃料电池正是符合这一环境需求的高效洁净能源。燃料电池等温地按电化学方式直接将化学能转化为电能。它不经过热机过程,因此不受卡诺循环的限制,能量转化效率高,环境友好,几乎不排放氮的氧化物和硫的氧化物。与此同时，由于燃料电池具有能够输出大电流，运行较为安全、高效的特点，因此应用燃料电池的发电技术和燃料电池电动汽车的发展得到大力支持。
与普通电池输出特性不同，燃料电池的输出特性较软，随着输出电流的增加，输出端电压会有明显的降落。因此燃料电池的输出端需要通过直流升压变换器，将燃料电池输出端的宽范围变化的低压升压到较高的直流母线电压。为防止因输出电流断续或纹波过大造成燃料电池的使用寿命缩短，所用变换器应输入连续且纹波较小的电流。这就要求直流升压变换器具有宽增益和高增益且输入电流纹波较小的特点。
传统的隔离型升压直流变换器容易实现较高的电压增益，然而由于变压器存在漏感，会产生很大的电压应力，增加了开关损耗和电磁干扰。为了节约成本和减小变换器的体积，提高效率，需要一种宽电压增益的非隔离式升压直流变换器，使其适用于燃料电池的电压变换场合。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种燃料电池用宽输入范围交错并联型高效升压直流变换器，利用电感L1和L2为交错并联结构，减小输入电流纹波并提高变换器效率，利用电容C3和C4并联输出，提高变换器增益并减小功率器件电压应力，使其更加适用于燃料电池的电压变换场合，详见下文描述：
燃料电池用宽输入范围交错并联型高效升压直流变换器，由电感L1、L2，电容C1、C2、C3、C4，二极管D1、D2、D3、D4，功率开关Q1、Q2构成，电感L1、功率开关Q1、电容C1和C3以及二极管D1和D2组成反极性输出的直流升压变换器A；电感L2、功率开关Q2、电容C2和C4以及二极管D3和D4组成另一个反极性输出的直流升压变换器B；A的输入电压为电容C2或C4的电压与燃料电池电压Uin的叠加；B的输入电压为燃料电池电压Uin，两个反极性输出的直流升压变换器的电感L1和L2在输入端交错并联，减小输入电流纹波；两个反极性输出的直流升压变换器的电容C3和C4在输出端串联，燃料电池正输出端分别连接在两个反极性输出的直流升压变换器的电感L1、L2一端，输出电压Uo的正输出端连接B的输出电容C4的正极，输出电压Uo的负输出端连接A的输出电容C3的负极，输出电压的极性与输入电压的极性相反。
其中，功率开关Q1、电容C1和二极管D1串接成环状，电容C3、二极管D2串接后并接在二极管D1两端，二极管D2负极接二极管D1正极，电感L1一端连接在功率开关Q1、电容C1之间的连接点上，电感L1另一端为正输入端；功率开关Q2、电容C2和二极管D3串接成环状，电容C4、二极管D4串接后并接在二极管D3两端，二极管D4负极接二极管D3正极，电感L2一端连接在功率开关Q2、电容C2之间的连接点上，电感L1另一端为正输入端。
所述直流变换器的电压增益M为：
其中，d为功率开关Q1和Q2的占空比，0<d<1；
输入电流纹波rin为：
其中L为电感值，且L1＝L2＝L，f为功率开关的开关频率，R为直流变换器等效输出电阻；
电压应力为：
其中，UC1、UC2、UC3和UC4分别为相应电容的电压；Uo为高压直流母线侧的输出电压；功率器件关断时承受的电压应力均小于输出电压Uo，电压应力较低。
开关状态10：功率开关Q1开通Q2关断，二极管D1和D4关断，D2和D3导通，Uin和电容C4为L1充电，电感电流iL1线性增加，电感电流iL2线性减小。电感电流iL2对电容C2进行充电，电容C1为C3充电，C2和C3电压上升。C1和C4为负载供能，电压下降；
开关状态00：功率开关Q1和Q2关断，二极管D1和D3导通，D2和D4关断，电感电流iL1和iL2线性减小，此时电感电流iL1为电容C1充电，电感电流iL2对电容C2充电，C1和C2电压上升。负载能量由电容C3和C4提供，C3和C4电压下降；
开关状态01：功率开关Q1关断Q2开通，二极管D2和D3关断，D1和D4导通，Uin为L2充电，电感电流iL2线性增加，电感电流iL1线性减小。电感电流iL1为电容C1进行充电，电容C2为充C4电，C1和C4电压上升C2电压下降。此时负载能量由电容C2和C3提供，C2和C3电压下降；
开关状态11：功率开关Q1、Q2导通，二极管D1和D3关断，D2和D4导通，电感电流iL1和iL2线性增加，电容C1为C3提供能量C2为C4提供能量，C3和C4电压上升。电容C1和C2为负载供能，电压下降。
本发明的特点及有益效果是：
在保留了原有的级联型Boost直流升压变换器较高电压增益的优点前提下，结合交错并联型Boost直流升压变换器与开关电容网络，实现了输入电流连续模式下占空比为0～1范围内更宽的电压增益，同时该拓扑中所有器件的电压应力均小于输出电压，并且该拓扑输入电流纹波较小。因此，该变换器适用于燃料电池的电压变换场合。
附图说明：
图1为新型宽输入范围交错并联型高效升压直流变换器拓扑；
图2为开关状态10时等效回路图；
图3为开关状态00时等效回路图；
图4为开关状态01时等效回路图；
图5为开关状态11时等效回路图；
图6为新拓扑稳定运行且0<d<0.5时的重要工作波形；
图7为新拓扑稳定运行且0.5≤d<1时的重要工作波形。
具体实施方式
本发明提供了一种燃料电池用宽输入范围交错并联型高效升压直流变换器，本发明利用电感L1和L2为交错并联结构，减小了输入电流纹波并提高变换器效率，利用电容C3和C4并联输出，提高了变换器增益并减小了功率器件电压应力，使其更加适用于燃料电池的电压变换场合，详见下文描述：
一种燃料电池用宽输入范围交错并联型高效升压直流变换器，所述直流变换器基于级联型Boost直流升压变换器和交错并联型Boost直流升压变换器并结合开关电容网络改进而成。
所述直流变换器的输入端与燃料电池相连，即用电源输入端Uin表示；
电感L1、功率开关Q1、电容C1和C3以及二极管D1和D2组成反极性输出的直流升压变换器A；电感L2、功率开关Q2、电容C2和C4以及二极管D3和D4组成另一个反极性输出的直流升压变换器B。A的输入电压为电容C2或C4的电压与燃料电池电压Uin的叠加，极大地提高了输入电压；B的输入电压为燃料电池电压Uin。两个反极性输出的直流升压变换器的电感L1和L2在输入端交错并联，减小输入电流纹波；两个反极性输出的直流升压变换器的电容C3和C4在输出端串联，提高了变换器的电压增益并减小了功率器件的电压应力。燃料电池正输出端分别连接在两个反极性输出的直流升压变换器的电感L1、L2一端，输出电压Uo的正输出端连接B的输出电容C4的正极，输出电压Uo的负输出端连接A的输出电容C3的负极。输出电压的极性与输入电压的极性相反。
其中，功率开关Q1、电容C1和二极管D1串接成环状，电容C3、二极管D2串接后并接在二极管D1两端，二极管D2负极接二极管D1正极，电感L1一端连接在功率开关Q1、电容C1之间的连接点上，电感L1另一端为正输入端；功率开关Q2、电容C2和二极管D3串接成环状，电容C4、二极管D4串接后并接在二极管D3两端，二极管D4负极接二极管D3正极，电感L2一端连接在功率开关Q2、电容C2之间的连接点上，电感L1另一端为正输入端。
电感L1和L2为交错并联结构，减小了输入电流纹波并提高变换器效率；电容C3和C4并联输出，提高了变换器增益并减小了功率器件电压应力；
输出端与高压直流母线相连接；
所述直流变换器的电压增益M为：
其中，d为功率开关Q1和Q2的占空比，0<d<1；
输入电流纹波rin为：
其中L为电感值，且L1＝L2＝L，f为功率开关的开关频率；
电压应力为：
其中，UC1、UC2、UC3和UC4分别为相应电容的电压；Uo为高压直流母线侧的输出电压；功率器件关断时承受的电压应力均小于输出电压Uo，电压应力较低。
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
一、拓扑结构
本发明基于级联型直流升压变换器和交错并联型直流升压变换器并结合开关电容网络改进而成。所述直流变换器的输入端与燃料电池相连，即用电源输入端Uin表示；电感L1和L2为交错并联结构，减小了输入电流纹波并提高变换器效率；电容C3和C4并联输出，提高了变换器增益并减小了功率器件电压应力；输出端与高压直流母线相连接。
二、宽电压增益
d1和d2分别为功率开关Q1和Q2的占空比且d1＝d2＝d，Q1和Q2的驱动信号相差180°。根据功率开关Q1和Q2的通断情况，本发明所提拓扑有4种开关状态"S1S2"＝{00,01,10,11}，这里"1"表示功率开关Q1,Q2"开通","0"表示功率开关Q1,Q2"关断"。当0<d<0.5时，在一个开关周期T内拓扑存在S1S2＝00,01,10三种开关状态；而当0.5≤d<1时，在一个开关周期T内拓扑存在S1S2＝11,01,10三种开关状态。若忽略所有二极管的正向导通压降和开关管的导通内阻，及其他器件的寄生参数，同时假设拓扑中的电容的容值和电感的感值足够大(即电路达到稳态时，电容两端的电压和电感流过的电流近似为恒定)。处于不同开关状态时，拓扑的电流流通路径如图2、3、4和5所示，该变换器的主要工作波形如6和7所示。
当0<d<0.5时，本拓扑电流流通路径如图2、3和4所示，主要工作波形如图6所示。S1S2＝10时，由基尔霍夫第一定律得：
式中，UL1a、UL2a分别为电感L1、L2在S1S2＝10时电压值，Uin、Uo分别为输入、输出电压，UC1、UC2、UC3和UC4分别为电容C1、C2、C3和C4的电压。
S1S2＝00时，由基尔霍夫第一定律得：
式中，UL1b、UL2b分别为电感L1、L2在S1S2＝00时电压值。
S1S2＝01时，由基尔霍夫第一定律得：
式中，UL1c、UL2c分别为电感L1、L2在S1S2＝00时电压值。
根据伏秒平衡，电感在一个开关周期内储存和释放电量是相等的，分别对电感L1、L2列写方程：
将式(1)、(2)和(3)带入式(4)中得
根据式(5)可得，变换器的电压增益M为
其中，d为功率开关Q1和Q2的占空比，0<d<0.5。同理，可以推得0.5≤d<1时电压增益与0<d<0.5时相同。
三、低输入电流纹波
根据安秒平衡，电容在一个开关周期内储存和释放电量是相等的，分别对电容C1、C2、C3和C4列安秒平衡方程可得：
其中IL1和IL2分别为L1和L2的平均电流，R为负载电阻。
输入平均电流Iin为IL1与IL2之和，在一个周期内iin-max表示输入电流最大值，iin-min表示输入电流最小值。假设L1＝L2＝L，则输入电流纹波率rin为：
其中，f为功率开关的开关频率。
通过以上分析可得，与传统的级联型直流升压变换器拓扑相比，本发明的拓扑具有较低的输入电流纹波。
四、低电压应力
根据式(5)可得拓扑中电容的电压应力为：
同时可以推导出，拓扑中的功率器件关断时承受的电压应力也小于输出电压。
通过以上分析可得，本发明的拓扑中所有器件承受的电压值均小于输出电压，电压应力较低。
实施例2
下面以图1所示的宽输入范围交错并联型高效升压直流变换器拓扑，图2、3、4和5的拓扑等效回路图以及图6和7的新拓扑稳定运行时的重要工作波形，对本实施例1中方案的原理进行说明。当0<d<0.5时，在一个开关周期T内拓扑存在S1S2＝00,01,10三种开关状态；而当0.5≤d<1时，在一个开关周期T内拓扑存在S1S2＝11,01,10三种开关状态。下面分别对"S1S2"＝{00,01,10,11}4个开关状态进行说明。
开关状态10：功率开关Q1开通Q2关断，二极管D1和D4关断，D2和D3导通，此时等效电路如图2所示。Uin和电容C4为L1充电，电感电流iL1线性增加，电感电流iL2线性减小。电感电流iL2对电容C2进行充电，电容C1为充C3电，C2和C3电压上升。C1和C4为负载供能，电压下降。
开关状态00：功率开关Q1和Q2关断，二极管D1和D3导通，D2和D4关断，此时等效电路如图3所示。电感电流iL1和iL2线性减小，此时电感电流iL1为电容C1充电，电感电流iL2对电容C2充电，C1和C2电压上升。负载能量由电容C3和C4提供，C3和C4电压下降。
开关状态01：功率开关Q1关断Q2开通，二极管D2和D3关断，D1和D4导通，此时等效电路如图4所示。Uin为L2充电，电感电流iL2线性增加，电感电流iL1线性减小。电感电流iL1为电容C1进行充电，电容C2为充C4电，C1和C4电压上升C2电压下降。此时负载能量由电容C2和C3提供，C2和C3电压下降。
开关状态11：功率开关Q1、Q2导通，二极管D1和D3关断，D2和D4导通，此时等效电路如图5所示。电感电流iL1和iL2线性增加，电容C1为C3提供能量C2为C4提供能量，C3和C4电压上升。电容C1和C2为负载供能，电压下降。
燃料电池、电感、电容的能量按上述方式传递到输出侧高压直流母线，可以实现电压水平的极大提高，以及器件电压应力的减小，同时也降低了输入电流纹波。该新型拓扑拓宽了升压变换器的电压增益并有效的保护了燃料电池，非常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 (4)
1.一种燃料电池用宽输入范围交错并联型高效升压直流变换器，其特征是，由电感L1、L2，电容C1、C2、C3、C4，二极管D1、D2、D3、D4，功率开关Q1、Q2构成，电感L1、功率开关Q1、电容C1和C3以及二极管D1和D2组成反极性输出的直流升压变换器A；电感L2、功率开关Q2、电容C2和C4以及二极管D3和D4组成另一个反极性输出的直流升压变换器B；A的输入电压为电容C2或C4的电压与燃料电池电压Uin的叠加；B的输入电压为燃料电池电压Uin，两个反极性输出的直流升压变换器的电感L1和L2在输入端交错并联，减小输入电流纹波；两个反极性输出的直流升压变换器的电容C3和C4在输出端串联，燃料电池正输出端分别连接在两个反极性输出的直流升压变换器的电感L1、L2一端，输出电压Uo的正输出端连接B的输出电容C4的正极，输出电压Uo的负输出端连接A的输出电容C3的负极，输出电压的极性与输入电压的极性相反。
2.如权利要求1所述的燃料电池用宽输入范围交错并联型高效升压直流变换器，其特征是，功率开关Q1、电容C1和二极管D1串接成环状，电容C3、二极管D2串接后并接在二极管D1两端，二极管D2负极接二极管D1正极，电感L1一端连接在功率开关Q1、电容C1之间的连接点上，电感L1另一端为正输入端；功率开关Q2、电容C2和二极管D3串接成环状，电容C4、二极管D4串接后并接在二极管D3两端，二极管D4负极接二极管D3正极，电感L2一端连接在功率开关Q2、电容C2之间的连接点上，电感L1另一端为正输入端。
3.如权利要求1所述的燃料电池用宽输入范围交错并联型高效升压直流变换器，其特征是，
所述直流变换器的电压增益M为：
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其中，d为功率开关Q1和Q2的占空比，0<d<1；
输入电流纹波rin为：
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其中L为电感值，且L1＝L2＝L，f为功率开关的开关频率，R为直流变换器等效输出电阻；
电压应力为：
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其中，UC1、UC2、UC3和UC4分别为相应电容的电压；Uo为高压直流母线侧的输出电压；功率器件关断时承受的电压应力均小于输出电压Uo，电压应力较低。
4.如权利要求1所述的燃料电池用宽输入范围交错并联型高效升压直流变换器，其特征是，开关状态10：功率开关Q1开通Q2关断，二极管D1和D4关断，D2和D3导通，Uin和电容C4为L1充电，电感电流iL1线性增加，电感电流iL2线性减小，电感电流iL2对电容C2进行充电，电容C1为C3充电，C2和C3电压上升。C1和C4为负载供能，电压下降；
开关状态00：功率开关Q1和Q2关断，二极管D1和D3导通，D2和D4关断，此时等效电路如图3所示。电感电流iL1和iL2线性减小，此时电感电流iL1为电容C1充电，电感电流iL2对电容C2充电，C1和C2电压上升。负载能量由电容C3和C4提供，C3和C4电压下降；
开关状态01：功率开关Q1关断Q2开通，二极管D2和D3关断，D1和D4导通，此时等效电路如图4所示。Uin为L2充电，电感电流iL2线性增加，电感电流iL1线性减小，电感电流iL1为电容C1进行充电，电容C2为充C4电，C1和C4电压上升C2电压下降。此时负载能量由电容C2和C3提供，C2和C3电压下降；
开关状态11：功率开关Q1、Q2导通，二极管D1和D3关断，D2和D4导通，此时等效电路如图5所示。电感电流iL1和iL2线性增加，电容C1为C3提供能量C2为C4提供能量，C3和C4电压上升，电容C1和C2为负载供能，电压下降。
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