CN108880262A - 燃料电池用两电容钳位的二次型混合升压dc-dc变换器 - Google Patents

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林明耀
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Abstract

本发明公开了一种燃料电池用两电容钳位的二次型混合升压DC‑DC变换器，融合了耦合电感结构，在提高变换器的电压增益的基础上，也使得电压增益更加灵活，应用场合更加多样，电路不会进入断续情况，并且电流和功率的波动得到了有效的降低，尤其适合燃料电池的应用场合；融合了两电容漏感钳位电路结构，在使用耦合电感提高变换器升压能力的基础上，使耦合电感漏感的能量有释放的回路，避免了漏感能量引起的电路谐振问题，同时也提高了电路的效率；融合了混合升压单元结构，与传统的升压变换器相比，升压性能得到提高；与传统的单自举单元结构的升压单元相比较，随着占空比的增加，该转换器具有优越的升压电压性能。

Description

燃料电池用两电容钳位的二次型混合升压DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及DC-DC变换器，特别是涉及燃料电池用两电容钳位的二次型混合升压DC-DC变换器。
背景技术
随着传统化石能源的日趋枯竭和人类生存环境的日益恶化，清洁型的可再生能源的发展已经到了迫在眉睫的地步，世界各国都在致力于研究和开发新能源的应用，其中太阳能和风能已经得到了较为广泛的应用。不过对于这些系统，如何并网运行、满足电网中的高电压需要仍然是最重要的问题。目前，大量的升压转换器被开发出来满足这些应用，在不同的转换器中，传统的BOOST变换器理论上可以通过提高占空比来提高电压增益。但是实际应用中，由于寄生参数的限制，无法实现非常高的电压增益。若采用级联型的拓扑结构，器件数量增加所带来的效率不高的问题又会凸显。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够提高效率和增益比的燃料电池用两电容钳位的二次型混合升压DC-DC变换器。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：本发明所述的燃料电池用两电容钳位的二次型混合升压DC-DC变换器，包括输入电源Vin，输入电源Vin的正极分别连接电感L1的一端和续流二极管D6的阳极，电感L1的另一端分别连接电容C5的一端和续流二极管D2的阳极，电容C5的另一端分别连接续流二极管D1的阳极和续流二极管D6的阴极，续流二极管D1的阴极分别连接耦合电感的原边绕组L2的一端、钳位电容Cb的一端、电容C1的一端和续流二极管D4的阳极，耦合电感的原边绕组L2的另一端连接电容C3的一端和开关管S的漏极，电容C3的另一端分别连接钳位二极管Db的阳极和续流二极管D4的阴极，钳位二极管Db的阴极分别连接电容C4的一端、续流二极管D5的阳极和钳位电容Cb的另一端，电容C4的另一端连接耦合电感副边绕组L3的一端，耦合电感副边绕组L3的另一端分别连接续流二极管D5的阴极和输出整流二极管Do的阳极，输出整流二极管Do的阴极分别连接输出电容Co的一端和负载电阻R的一端，输出电容Co的另一端、负载电阻R的另一端、开关管S的源极和电容C1的另一端分别连接输入电源Vin的负极。
进一步，还包括续流二极管D3，续流二极管D3的阳极连接耦合电感副边绕组L3的一端，续流二极管D3的阴极连输出二极管Do的阳极。
进一步，还包括电容C2，电容C2的一端连接续流二极管D5的阴极，电容C2的另一端连接输出整流二极管Do的阳极。
有益效果：本发明公开了一种燃料电池用两电容钳位的二次型混合升压DC-DC变换器，与现有技术相比，具有以下的有益效果：
1)本发明融合了耦合电感结构，在提高变换器的电压增益的基础上，也使得电压增益更加灵活，应用场合更加多样；电路不会进入断续情况，并且电流和功率的波动得到了有效的降低，尤其适合燃料电池的应用场合；
2)本发明融合了两电容漏感钳位电路结构，在使用耦合电感提高变换器升压能力的基础上，使耦合电感漏感的能量有释放的回路，避免了漏感能量引起的电路谐振问题，同时也提高了电路的效率；
3)本发明融合了混合升压单元结构，与传统的升压变换器相比，升压性能得到提高；与传统的单自举单元结构的升压单元相比较，随着占空比的增加，该转换器具有优越的升压电压性能。
附图说明
图1为本发明第一种具体实施方式中升压变换器的电路图；
图2为本发明第二种具体实施方式中升压变换器的电路图；
图3为本发明第二种具体实施方式中升压变换器的等效电路图；
图4为本发明第二种具体实施方式中升压变换器的模态图；
图5为本发明第二种具体实施方式中升压变换器的第一种开关模态的等效图；
图6为本发明第二种具体实施方式中升压变换器的第二种开关模态的等效图；
图7为本发明第二种具体实施方式中升压变换器的第三种开关模态的等效图；
图8为本发明第二种具体实施方式中升压变换器的第四种开关模态的等效图；
图9为本发明第二种具体实施方式中升压变换器的第五种开关模态的等效图；
图10为本发明第二种具体实施方式中升压变换器的第六种开关模态的等效图；
图11为本发明第二种具体实施方式中升压变换器的开关管S栅源两端的电压、输出电压Vo和输出整流二极管Do的电流的波形图；
图12为本发明第二种具体实施方式中升压变换器的开关管S栅源两端的电压、耦合电感原边绕组L2的电流和耦合电感原边绕组L2两端的电压的波形图；
图13为本发明第二种具体实施方式中升压变换器的开关管S栅源两端的电压、电容C5的电流和电容C4的电流的波形图；
图14为本发明第二种具体实施方式中升压变换器的开关管S栅源两端的电压、续流二极管D2的电流和续流二极管D5的电流的波形图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本发明第一种具体实施方式公开了一种燃料电池用两电容钳位的二次型混合升压DC-DC变换器，如图1所示，包括输入电源Vin，输入电源Vin的正极分别连接电感L1的一端和续流二极管D6的阳极，电感L1的另一端分别连接电容C5的一端和续流二极管D2的阳极，电容C5的另一端分别连接续流二极管D1的阳极和续流二极管D6的阴极，续流二极管D1的阴极分别连接耦合电感的原边绕组L2的一端、钳位电容Cb的一端、电容C1的一端和续流二极管D4的阳极，耦合电感的原边绕组L2的另一端连接电容C3的一端和开关管S的漏极，电容C3的另一端分别连接钳位二极管Db的阳极和续流二极管D4的阴极，钳位二极管Db的阴极分别连接电容C4的一端、续流二极管D5的阳极和钳位电容Cb的另一端，电容C4的另一端连接耦合电感副边绕组L3的一端，耦合电感副边绕组L3的另一端分别连接续流二极管D5的阴极和输出整流二极管Do的阳极，输出整流二极管Do的阴极分别连接输出电容Co的一端和负载电阻R的一端，输出电容Co的另一端、负载电阻R的另一端、开关管S的源极和电容C1的另一端分别连接输入电源Vin的负极。
本发明第二种具体实施方式在第一种具体实施方式的基础上增加了续流二极管D3和电容C2，如图2所示，续流二极管D3的阳极连接耦合电感副边绕组L3的一端，续流二极管D3的阴极连输出整流二极管Do的阳极；电容C2的一端连接续流二极管D5的阴极，电容C2的另一端连接输出整流二极管Do的阳极。
其中，开关管S为MOSFET或者IGBT。
本发明第二种具体实施方式中升压变换器的等效电路图中，耦合电感原边绕组L1的等效电路为漏感LK和励磁电感LM，原边理想变压器匝数N1、副边理想变压器匝数N2。如图3所示。输入电源的电流为iin，输入电源的电压为Vin，电感L1电流为电感L1两侧的电压为耦合电感原边绕组励磁电感LM的电流为耦合电感原边绕组励磁电感LM两侧的电压为耦合电感原边绕组漏感LK的电流为耦合电感原边绕组漏感LK两侧的电压为耦合电感副边绕组L3的电流为耦合电感副边绕组L3两侧的电压为输出整流二极管Do的电流为输出整流二极管Do两端的电压为流过开关管S的电流为iS，开关管S两端的电压为VS，二极管Db的电流为二极管Db两端的电压为二极管D1的电流为二极管D1两端的电压为二极管D2的电流为二极管D2两端的电压为二极管D3的电流为二极管D3两端的电压为二极管D4的电流为二极管D4两端的电压为二极管D5的电流为二极管D5两端的电压为电容Cb的电流为电容Cb两端的电压为电容C1的电流为电容C1两端的电压为电容C2的电流为电容C2两端的电压为电容C3的电流为电容C3两端的电压为电容C4的电流为电容C4两端的电压为输出电容Co的电流为输出电容Co两端的电压为负载电阻R的电流为io。
图4为升压变换器的模态图。升压变换器的工作过程分为6个开关模态，分别为第一种开关模态至第六种开关模态，电阻R为负载，具体描述如下：
第一种开关模态，对应图4中的[t0,t1]：等效电路图5所示，开关管S、续流二极管D2、续流二极管D4、续流二极管D6和输出整流二极管Do导通，电流的流通途径如图5所示，电源给电感L1和电容C5同时充电，电感L1储存能量，电容C1给耦合电感的原边绕组L2充电，耦合电感的副边绕组L3通过输出整流二极管Do、电容C2、钳位电容Cb和电容C4构成的回路续流到输出电容Co和负载R上。
第二种开关模态，对应图4中的[t1,t2]：等效电路图6所示，开关管S和续流二极管D2、续流二极管D3、续流二极管D5和续流二极管D4导通，电流的流通途径如图6所示，电源继续给电感L1和电容C5同时充电，电感L1和电容C5继续储存能量，电容C1继续给耦合电感的原边绕组L2充电，耦合电感原边绕组L2电压升高，同时，耦合电感副边绕组L3电压也随之升高，于是耦合电感副边绕组L3通过续流二极管D3和续流二极管D5给电容C2和电容C4充电，输出电容Co放电给负载R。
第三种开关模态，对应图4中的[t2,t3]：等效电路图7所示，开关管S和续流二极管D2、续流二极管D3、续流二极管D5和续流二极管D4导通，电流的流通途径如图7所示，电源继续给电感L1和电容C5同时充电，电感L1和电容C5继续储存能量，电容C1继续给耦合电感的原边绕组L2充电，耦合电感原边绕组L2电压升高，同时，耦合电感副边绕组L3继续通过续流二极管D3和续流二极管D5给电容C2和电容C4充电，输出电容Co放电给负载R。
第四种开关模态，对应图4中的[t3,t4]：等效电路图8所示，开关管S在t3时关断，同时，续流二极管D1和钳位二极管Db开通，续流二极管D2和续流二极管D4关断，电流的流通途径如图8示，电源、电感L1和电容C5给电容C1充电，耦合电感原边绕组漏感LK能量通过钳位二极管Db、电容C3和钳位电容Cb构成的回路释放，耦合电感副边绕组L3继续通过续流二极管D3和续流二极管D5给电容C2和电容C4充电，输出电容Co放电给负载R。
第五种开关模态，对应图4中的[t4,t5]：等效电路图9所示，开关管S继续保持关断，续流二极管D1、输出二极管Do和钳位二极管Db开通，续流二极管D3和续流二极管D5关断，电流的流通途径如图9所示，电源、电感L1、电容C3、耦合电感原边绕组L2、耦合电感副边绕组L3、电容C2和电容C4一起放电到负载R，同时给电容C1和输出电容Co充电。耦合电感原边绕组漏感LK能量通过钳位二极管Db、电容C4和钳位电容Cb构成的回路释放。
第六种开关模态，对应图4中的[t5,t6]：等效电路图10所示，开关管继续关断，同时，续流二极管D1、输出整流二极管Do继续开通，钳位二极管Db关断，续流二极管D2、续流二极管D4、续流二极管D5和续流二极管D3继续关断，电流的流通途径如图10所示，电源、电感L1、电容C3、耦合电感副边绕组L3、钳位电容Cb和电容C2同时释放能量给负载，并且给电容C1和输出电容Co充电，同时耦合电感漏感LK能量释放结束。
由上述分析可得增益表达式为：
其中D为开关管S的占空比，N为耦合电感原边、副边的匝数比，K为耦合电感的耦合系数。
变换器按照第一种开关模态至第六种开关模态工作时，电路中开关管S栅源电压、耦合电感原边绕组L2两端电压和电流、输出整流二极管Do的电流、输出电压、续流二极管D2的电流、续流二极管D5的电流、电容C5的电流和电容C4的电流的波形具体描述如下：
在图11中，输入电压Vin＝24V，输出电压Vo＝380V，开关管S的栅源两端的电压差VGS的纵坐标为5伏/单元格，输出电压Vo纵坐标为200伏/单元格，输出二极管Do的电流纵坐标为2.5安/单元格。
在图12中，输入电压Vin＝24V，输出电压Vo＝380V，开关管S的栅源两端的电压差VGS的纵坐标为5伏/单元格,耦合电感原边绕组L2的电压纵坐标为25伏/单元格，耦合电感原边绕组L2的电流纵坐标为5安/单元格。
在图13中，输入电压Vin＝24V，输出电压Vo＝380V，开关管S的栅源两端的电压差VGS的纵坐标为5伏/单元格，电容C5的电流纵坐标为10安/单元格，电容C4的电流纵坐标为1安/单元格。
在图14中，输入电压Vin＝24V，输出电压Vo＝380V，开关管S的栅源两端的电压差VGS的纵坐标为5伏/单元格，二极管D2的电流纵坐标为10安/单元格,二极管D5的电流纵坐标为1安/单元格。

Claims (3)

1.燃料电池用两电容钳位的二次型混合升压DC-DC变换器，其特征在于：包括输入电源Vin，输入电源Vin的正极分别连接电感L1的一端和续流二极管D6的阳极，电感L1的另一端分别连接电容C5的一端和续流二极管D2的阳极，电容C5的另一端分别连接续流二极管D1的阳极和续流二极管D6的阴极，续流二极管D1的阴极分别连接耦合电感的原边绕组L2的一端、钳位电容Cb的一端、电容C1的一端和续流二极管D4的阳极，耦合电感的原边绕组L2的另一端连接电容C3的一端和开关管S的漏极，电容C3的另一端分别连接钳位二极管Db的阳极和续流二极管D4的阴极，钳位二极管Db的阴极分别连接电容C4的一端、续流二极管D5的阳极和钳位电容Cb的另一端，电容C4的另一端连接耦合电感副边绕组L3的一端，耦合电感副边绕组L3的另一端分别连接续流二极管D5的阴极和输出整流二极管Do的阳极，输出整流二极管Do的阴极分别连接输出电容Co的一端和负载电阻R的一端，输出电容Co的另一端、负载电阻R的另一端、开关管S的源极和电容C1的另一端分别连接输入电源Vin的负极。
2.根据权利要求1所述的燃料电池用两电容钳位的二次型混合升压DC-DC变换器，其特征在于：还包括续流二极管D3，续流二极管D3的阳极连接耦合电感副边绕组L3的一端，续流二极管D3的阴极连输出二极管Do的阳极。
3.根据权利要求2所述的燃料电池用两电容钳位的二次型混合升压DC-DC变换器，其特征在于：还包括电容C2，电容C2的一端连接续流二极管D5的阴极，电容C2的另一端连接输出整流二极管Do的阳极。
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