CN108448894B - 燃料电池电动汽车用高增益升压直流变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池电动汽车用高增益升压直流变换器，所述变换器低压侧通过开关电容并联充电、串联放电，实现了大比例升压的同时，避免因增大增益而造成功率开关极端占空比运行的问题；所述高压侧使用开关电容结构提高增益；所述直流变换器输入端和输出端共地，避免了不共地结构对燃料电池稳定运行的影响；所述主功率开关的电压应力低，均小于输出电压的一半。本发明的高增益开关电容型升压直流变换器利用开关电容技术进行升压，实现了大比例升压的同时，避免了因增大增益而造成功率开关极端占空比运行的问题。

Description

燃料电池电动汽车用高增益升压直流变换器
技术领域
本发明涉及电力电子功率变换技术领域，尤其涉及一种新型的开关电容型高增益升压直流变换器，应用于燃料电池电动汽车。
背景技术
随着能源危机的加深，石油、煤炭、天然气等自然资源的短缺，各国经济的发展均受到能源问题的困扰。与此同时，全球汽车的数量急剧增加。目前的汽车仍然以化石燃料为主要的能量来源，而过度地使用化石能源带来的环境问题也愈加严重。在这个背景下，新能源汽车成为了当前汽车行业发展的热点，其中燃料电池电动汽车是新能源汽车的重要发展方向。燃料电池以其可以实现大电流输出，同时运行安全高效，对环境污染小的特点，在电动汽车领域得到了广泛的应用。但是燃料电池的输出特性与普通电池相比较为疲软，其输出电压会随着输出电流的增加而出现明显的下降。要实现燃料电池对直流母线的能量传递，需要同时具备高增益和宽增益特点的升压直流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。
传统的Boost直流变换器理论上在占空比接近于1时可以获得极高的电压增益。但实际运行中，由于受到变换器各器件的寄生参数影响，很难实现较高的增益，且功率器件会运行在极端占空比状态。同时功率器件的电压应力为输出侧高电压，带来功率器件电压应力高的问题。这些都制约该类变换器在燃料电池电动汽车系统中的应用。
因此，需要研究新的高增益、功率器件电压电流应力低、宽增益且避免极端占空比的升压直流变换器，使其适用于燃料电池电动汽车系统。
发明内容
针对燃料电池电动汽车中燃料电池输出端电压低且变化范围宽，需要经高增益直流变换器升压后接入直流母线的特点，本发明提出一种高增益非隔离型直流-直流升压变换器作为燃料电池与直流母线的接口，详见下文描述：
一种燃料电池电动汽车用高增益升压直流变换器，所述变换器低压侧通过开关电容并联充电、串联放电，实现了大比例升压的同时，避免因增大增益而造成功率开关极端占空比运行的问题；
所述高压侧使用开关电容结构提高增益；
所述直流变换器输入端和输出端共地，避免了不共地结构对燃料电池稳定运行的影响；
所述主功率开关的电压应力低，均小于输出电压的一半。
进一步地，
开关状态[t1～t2]：t1时刻，功率开关Q1和Q2同时导通，输入电源Uin给电感L1充电，同时电容C1和C2串联向电感L2充电；电容C2和C4串联向电容C3充电；
开关状态[t2～t3]：t2时刻，功率开关Q1和Q2同时关断，输入电源Uin和电感L1串联向电容C1和C2充电；同时输入电源Uin、电感L1和电感L2串联向电容C4充电；
另，输入电源Uin、电感L1、电感L2和电容C3串联，其电压之和向串联的电容C4和C5充电，同时为负载提供能量。输出电压Uo即等于电容C4和C5串联的电压之和。
所述直流变换器采用连续的输入电流，避免输入电流断续对输入源的冲击。
进一步地，输出电压与输入电压的关系：
Figure BDA0001592434720000021
其中，d为功率开关Q1、Q2的占空比。
进一步地，所述直流变换器实现5-10倍的升压比。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明的高增益开关电容型升压直流变换器利用开关电容技术进行升压，实现了大比例升压的同时，避免了因增大增益而造成功率开关极端占空比运行的问题；
2、本发明的主功率开关的电压应力较低，均小于输出电压的一半；
3、本发明的升压直流变换器输入端和输出端共地，避免了不共地结构可能对燃料电池稳定运行的影响；
4、本发明采用连续的输入电流可以避免输入电流断续对输入源的冲击，非常适合作为燃料电池电动汽车系统中燃料电池与高压汇流母线间的接口。
附图说明
图1为燃料电池电动汽车用高增益升压直流变换器的结构示意图；
图2为高增益开关电容型升压直流变换器的运行原理图；
其中，(a)为开关状态1；(b)为开关状态2。
图3为高增益开关电容型升压直流变换器运行驱动信号与变换器重要工作波形的示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
Uo为输出侧端口电压；
Uin为输入侧端口电压；
L1、L2为储能电感；
C1、C2、C3、C4、C5分别为开关电容；
Q1、Q2分别为变换器的功率开关；
D3、D4、D5、D6、D7分别为变换器的功率二极管；
iL1、iL2为电感电流；
S为功率开关Q1、Q2的开关信号；
UQ1、UQ2为功率开关Q1、Q2的电压应力；
iQ1、iQ2为功率开关Q1、Q2的电流应力；
UD3、UD4、UD5、UD6、UD7为功率二极管D3、D4、D5、D6、D7的电压应力；
iD3、iD4、iD5、iD6、iD7为功率二极管D3、D4、D5、D6、D7的电流应力；
UC1、UC2、UC3、UC4、UC5为电容C1、C2、C3、C4、C5的电压；
d为功率开关Q1、Q2的占空比，T为开关周期。
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。
本发明实施例提供的变换器通过低压侧电容串联充电、并联放电，高压侧使用一种开关电容结构提高增益，至少可以实现5-10倍的升压比，能满足燃料电池电动汽车对于高增益和宽增益的需求，功率器件的电压应力较低，同时输入侧和输出侧共地的结构可以避免不共地结构对燃料电池稳定运行的影响，使其适用于燃料电池电动汽车系统应用场合。
实施例1
下面结合具体的计算公式、实例对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
一、拓扑结构
本发明实施例提出如图1所示的高增益开关电容型升压直流变换器，运行时通过开关电容并联充电、串联放电获得高电压增益。图2、图3为高增益开关电容型升压直流变换器运行原理图、运行驱动信号、以及变换器重要工作波形的示意图。
二、增益推导
由于功率开关Q1和Q2驱动信号相同，设功率开关Q1的开关周期为T，其中导通时间为dT，关断时间为(1－d)T，忽略所有二极管的导通压降和功率开关管的导通内阻，近似认为电路达到稳态后，电容电压和电感电流在功率开关Q1的开通和关断期间是不变的。
对电感L1和L2分别利用伏秒平衡法则，可得电压关系如下：
Figure BDA0001592434720000041
变换器工作状态下的电容电压关系：
Figure BDA0001592434720000042
结合上述公式可得输出电压与输入电压的关系：
Figure BDA0001592434720000043
三、元器件应力分析
根据图2所示变换器各状态下的电压关系，可以推出有源功率开关的电压应力为：
Figure BDA0001592434720000044
Figure BDA0001592434720000045
低压侧二极管D3和D4的电压应力为：
Figure BDA0001592434720000046
高压侧二极管D5、D6、D7的电压应力为：
Figure BDA0001592434720000047
各电容承受的电压应力为：
Figure BDA0001592434720000048
Figure BDA0001592434720000049
Figure BDA0001592434720000051
由电容的安秒平衡原理，对变换器两个开关状态下的电流路径进行分析，由图2(a)所示状态，可得：
Figure BDA0001592434720000052
再由图2(b)所示状态可得：
Figure BDA0001592434720000053
对变换器中各电容列安秒平衡方程可得：
Figure BDA0001592434720000054
由上述公式推导可得有源功率开关的电流应力为：
Figure BDA0001592434720000055
各二极管的电流应力为：
Figure BDA0001592434720000061
各电容在两个工作状态下的电流应力分别为：
Figure BDA0001592434720000062
综上所述，本发明实施例提出的高增益开关电容型升压直流变换器，能够适应燃料电池的输出电压范围，来实现高增益和宽增益升压的目的。该变换器的输入电流连续，可以避免输入电流断续对输入源的冲击。在实现高增益升压的同时，变换器主要的功率开关的电压应力均低于输出电压的一半。另外输入端和输出端共地，避免了不共地结构可能对燃料电池稳定运行的影响。因此，该直流变换器适用于燃料电池电动汽车。
实施例2
下面以图1的高增益开关电容型升压直流变换器、以及图2所示的变换器运行原理图，对本发明实施例的原理及最佳实施方式进行说明。在每个载波周期，变换器共经历二个开关状态，如图2(a)和图2(b)所示，变换器运行时的重要波形如图3所示。
1)开关状态1[t1～t2]，如图2(a)所示。在t1时刻，功率开关Q1和Q2同时导通，输入电源Uin给电感L1充电，同时电容C1和C2串联向电感L2充电；电容C2和C4串联向电容C3充电。
2)开关状态2[t2～t3]，如图2(b)所示。在t2时刻，功率开关Q1和Q2同时关断，输入电源Uin和电感L1串联向电容C1和C2充电；同时输入电源Uin、电感L1和电感L2串联向电容C4充电；另外，输入电源Uin、电感L1、电感L2和电容C3串联起来，其电压之和向串联的电容C4和C5充电，同时为负载提供能量。输出电压Uo即等于电容C4和C5串联的电压之和。
图3所示为变换器运行时重要的工作波形。电感电流iL1和iL2的变化趋势相同，说明电感L1和电感L2同时充电和放电；有源功率开关Q1和Q2在开通时间内，其电流变化趋势相反，iQ1逐渐增大，而iQ2则处于一个逐渐减小的过程；功率二极管D3、D4、D5和D7的开通时刻相同，其电流均为减小的变化趋势。功率二极管D6的开通时刻则与上述二极管相反，但其电流亦为减小的变化趋势；电容的电压反映了电容的充放电过程，电容电压值增高说明电容处于充电状态，反之则说明电容处于放电状态。电容C1、C2、C4和C5的充放电过程大致相同，电容C3则有相反的充放电过程。由图2(a)开关状态，可得此时电容C5与负载电阻R串联，电流iC5即是稳定的负载电流。
通过对变换器运行原理的分析，本发明实施例提出的高增益开关电容型升压直流变换器，应用在燃料电池电动汽车系统中时，满足了配合燃料电池输出特性实现能量流动的需求，而且满足燃料电池低压储能设备与高压汇流母线间升压的应用场合。
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)

1.一种燃料电池电动汽车用高增益升压直流变换器，其特征在于，
所述变换器低压侧通过开关电容并联充电、串联放电，实现了大比例升压的同时，避免因增大增益而造成功率开关极端占空比运行的问题；
高压侧使用开关电容结构提高增益；
所述直流变换器输入端和输出端共地，避免了不共地结构对燃料电池稳定运行的影响；
主功率开关的电压应力低，均小于输出电压的一半；
其中，开关状态[t1～t2]：t1时刻，功率开关Q1和Q2同时导通，输入电源Uin给电感L1充电，同时电容C1和C2串联向电感L2充电；电容C2和C4串联向电容C3充电；
开关状态[t2～t3]：t2时刻，功率开关Q1和Q2同时关断，输入电源Uin和电感L1串联向电容C1和C2充电；同时输入电源Uin、电感L1和电感L2串联向电容C4充电；
另，输入电源Uin、电感L1、电感L2和电容C3串联，其电压之和向串联的电容C4和C5充电，同时为负载提供能量；输出电压Uo即等于电容C4和C5串联的电压之和。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池电动汽车用高增益升压直流变换器，其特征在于，
所述直流变换器采用连续的输入电流，避免输入电流断续对输入源的冲击。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池电动汽车用高增益升压直流变换器，其特征在于，
输出电压与输入电压的关系：
Figure FDA0002224077820000011
其中，d为功率开关Q1、Q2的占空比。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池电动汽车用高增益升压直流变换器，其特征在于，所述直流变换器实现5-10倍的升压比。
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