CN110829842B - 一种汽车用燃料电池高增益dc-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车用燃料电池高增益DC‑DC变换器，属于新能源汽车DC‑DC变换器技术领域。本发明针对现有燃料电池汽车用非隔离DC‑DC变换器拓扑不能同时兼顾高增益和低器件电压应力的问题。本发明包括电容C₁、电容C₂、电容C₃、电容C₄、开关管Q₁、开关管Q₂、开关管Q₃、二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄、电感L；本申请提出的DC‑DC变换器拓扑基于开关电感和开关电容网络，在实现高增益的同时，保证电路中所有功率半导体器件和电容的电压应力不超过输出电压的一半，有利于器件选型，使用器件较少，克服了电路复杂的问题。

Description

一种汽车用燃料电池高增益DC-DC变换器

技术领域

本发明涉及变换器领域，特别是涉及一种汽车用燃料电池高增益DC-DC变换器。

背景技术

大量化石燃料的燃烧导致了严重的能源短缺和环境污染问题，而新能源汽车产业的发展为解决这些问题带来了希望。燃料电池汽车由于其清洁、可靠和高效等优点，成为新能源汽车产业中非常有前途的研究方向。然而，燃料电池存在一些缺陷，如：燃料电池输出特性软，随着输出电流的增大，输出电压下降过快；燃料电池输出电压一般较低，不能直接驱动汽车电机。目前一般燃料电池汽车的直流母线电压较高，为了给燃料电池汽车的驱动电机提供稳定的直流母线电压，需要开发高增益、宽电压输入范围的DC-DC变换器。

隔离式DC-DC变换器拓扑在光伏发电有较广泛的应用，通过改变变压器线圈匝数比可以实现高增益。但是由于变压器的存在导致变换器的体积相对较大，不适用于车载。又由于漏感的存在，容易产生额外的损耗和电磁干扰等问题。考虑到车载DC-DC变换器对体积和成本有一定要求，非隔离式DC-DC变换器显得更具有优势。但是，现有车载非隔离DC-DC变换器普遍存在以下技术问题：

(1)传统的Boost、Buck-Boost和交错半桥拓扑结构很难获得高增益，不能满足燃料电池汽车用DC-DC变换器对高增益和宽输入电压范围的要求。此外，在升压比较大时，占空比接近于极限值1，这种极端的占空比使得功率开关的开通时间过长，容易引起开关管工作在非安全区，增加功率器件通态损耗。

(2)利用Boost级联结构可以实现高增益，但是两个或多个基本的变换器级联连接，会造成电路复杂，变换器体积大，高成本和低效率等问题。

(3)在一些非隔离的基于开关电感和开关电容的变换器拓扑中，功率器件会承受很高的电压应力，不利于器件的选型。

(4)现有的一些具有不共地结构的非隔离DC-DC变换器一方面存在给电路的采样带来困难的问题；另一方面，在升压电路正常工作时，会在输入端和输出端之间产生高频的脉动电压，容易引起安全问题和电磁干扰等问题，使得变换器可靠性降低。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种汽车用燃料电池高增益DC-DC变换器，具有高增益、低的器件电压应力、较少的器件数量、输入端和输出端之间共地等优点。

一种汽车用燃料电池高增益DC-DC变换器，所述变换器的前级输入端连接燃料电池，变换器的后级输出端连接负载R_L，包括电容C₁、电容C₂、电容C₃、电容C₄、开关管Q₁、开关管Q₂开关管Q₃、二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄和电感L；

燃料电池的正极通过二极管D₁连接电感L的一端，电感L的另一端连接二极管D₂，二极管D₂与二极管D₃和二极管D₄依次串联后通过串联连接的电容C₃和电容C₄接入燃料电池的负极端；开关管Q₂的漏极连接电感与二极管D₂之间，开关管Q₂的源极连接燃料电池的负极端；开关管Q₁的源极连接在二极管D₁与电感L之间，开关管Q₁的漏极连接开关管Q₃的漏极，开关管Q₃的源极连接开关管Q₂的漏极；电容C₁的两端分别连接燃料电池的正极端和开关管Q₁的漏极，电容C₂一端连接开关管Q₃的源极，电容C₂的另一端接在二极管D₃和二极管D₄之间；所述负载R_L的一端接在二极管D₄与电容C₃之间，负载R_L的另一端连接燃料电池的负极端。

进一步的，所述电容C₁的负极端连接燃料电池的正极端，电容C₁的正极连接开关管Q₁的漏极；电容C₂的负极连接开关管Q₃的源极，电容C₂的正极接在二极管D₃和二极管D₄之间；电容C₃的正极连接二极管D₄，电容C₃的负极连接电容C₄的正极，电容C₄的负极连接电池的负极。

进一步的，所述燃料电池的负极端、开关管Q₂的源极、电容C₄的负极和负载R_L的负极共地。

进一步的，所述二极管D₁的阳极连接燃料电池的正极端，二极管D₁的阴极连电感L的一端；二极管D₂的阳极连接开关管Q₂的漏极，二极管D₂的阴极连接二极管D₃的阳极，二极管D₃的阴极连接二极管D₄的阳极，二极管D₄的阴极连接电容C₃。

进一步的，所述述开关管Q₁和开关管Q₂同时开通和关断，开关管Q₁和开关管Q₂采用同一个PWM驱动信号V_{g1_2}。

进一步的，所述开关管Q₃的PWM驱动信号V_g3与PWM驱动信号V_{g1_2}波形互补。

进一步的，所述变换器包括第一工作模态和第二工作模态，第一工作模态下，开关管Q₁和开关管Q₂开通，开关管Q₃关闭；第二工作模态下，开关管Q₁和开关管Q₂关闭，开关管Q₃开通。

进一步的，所述第一工作模态下，燃料电池串联电容C₁，通过开关管Q₁和开关管Q₂为电感L充电，电容C₄通过二极管D₃和开关管Q₂为电容C₂充电，电容C₃与电容C₄串联为负载R_L放电；

所述第二工作模态下，燃料电池串联电容C₁和电容C₂，通过开关管Q₃和二极管D₄为负载R_L和电容C₃、电容C₄的串联部分充电，燃料电池串联电容C₁，通过开关管Q₃和D₂为电容C₄充电，电感L通过开关管Q₃和二极管D₁位电容C₁充电。

进一步的，所述开关管Q₁的电压应力、二极管D₁的电压应力和电容C₁的电压应力相同；开关管Q₂的电压应力、开关管Q₃的电压应力、二极管D₂的电压应力、二极管D₃的电压应力、二极管D₄的电压应力、电容C₂的电压应力、电容C₃的电压应力和电容C₄的电压应力相同。

进一步的，开关管Q₁、开关管Q₂和开关管Q₃的占空比小于0.5。

如上所述，本发明提供的一种汽车用燃料电池高增益DC-DC变换器，具有如下效果：

1、适用于燃料电池汽车的足够高的电压增益，在实现高增益的同时，占空比始终小于0.5，不会出现极端占空比的情况。

2、本申请的变换器电路中所有功率半导体器件和电容的电压应力小，均不超过输出电压的一半，兼顾了高增益和低器件应力的优点。

3、本申请的变换器电路所用器件少，避免了电路的复杂性。

4、本申请的变换器的输入端和输出端之间是共地的，避免了一些安全问题、电磁兼容问题，也不会给电路的采样增加难度。

综上可见，本发明中提出的DC-DC变换器拓扑电路非常适用于燃料电池汽车，具有实用性。

附图说明

图1为本发明具体实施例的汽车用燃料电池高增益DC-DC变换器电路示意图；

图2为本发明具体实施例的变换器中三个开关管的调制策略图；

图3为本发明具体实施例的变换器工作在模态一状态时的等效电路示意图；

图4为本发明具体实施例的变换器工作在模态二状态时的等效电路示意图；

图5为本发明具体实施例的变换器的理论电压增益图；

图6为本发明具体实施例的变换器的电感电流波形图；

图7为本发明具体实施例在样机测试时变换器开关管驱动电压Ugs、电感电流I_L、输出电压

U_O波形；

图8为本发明具体实施例在样机测试时变换器开关管Q₁、Q₂和电容C₁的电压应力U_Q1、U_Q2、U_C1曲线图；

图9为本发明具体实施例在样机测试时变换器电容C₂、C₃、C₄电压应力U_C2、U_C3、U_C4曲线图；

图10为本发明具体实施例在样机测试时变换器二极管D₁、开关管Q₃、二极管D₂、电压应力U_D1、U_Q3、U_D2曲线图；

图11为本发明具体实施例在样机测试时变换器二极管D₃、D₄的电压应力U_D3、U_D4曲线图；

图12为本发明具体实施例的样机在实验测试时的效率曲线图。

附图中符号说明：

V_c为三角载波信号；

V_r为调制波信号；

V_{g1_2}为开关管Q₁和开关管Q₂的驱动信号；

V_g3为开关管Q₃的驱动信号；

T为开关管的开关周期；

d为开关管Q₁和开关管Q₂的PWM驱动信号V_{g1_2}的占空比；

M为变换器的理论电压增益；

i_L为电感电流。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本实施例的一种汽车用燃料电池高增益DC-DC变换器电路原理图，所述变换器的前级输入端连接燃料电池，变换器的后级输出端连接负载R_L，包括电容C₁、电容C₂、电容C₃、电容C₄、开关管Q₁、开关管Q₂开关管Q₃、二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄和电感L；

燃料电池的正极通过二极管D₁连接电感L的一端，电感L的另一端连接二极管D₂，二极管D₂与二极管D₃和二极管D₄依次串联后通过串联连接的电容C₃和电容C₄接入燃料电池的负极端；开关管Q₂的漏极连接电感与二极管D₂之间，开关管Q₂的源极连接燃料电池的负极端；开关管Q₁的源极连接在二极管D₁与电感L之间，开关管Q₁的漏极连接开关管Q₃的漏极，开关管Q₃的源极连接开关管Q₂的漏极；电容C₁的两端分别连接燃料电池的正极端和开关管Q₁的漏极，电容C₂一端连接开关管Q₃的源极，电容C₂的另一端接在二极管D₃和二极管D₄之间；所述负载R_L的一端接在二极管D₄与电容C₃之间，负载R_L的另一端连接燃料电池的负极端。

所述电容C₁的负极端连接燃料电池的正极端，电容C₁的正极连接开关管Q₁的漏极；电容C₂的负极连接开关管Q₃的源极，电容C₂的正极接在二极管D₃和二极管D₄之间；电容C₃的正极连接二极管D₄，电容C₃的负极连接电容C₄的正极，电容C₄的负极连接电池的负极。

现有技术中的DC-DC变换器拓扑结构输入端和输出端之间不共地，不仅给电路信息采集带来困难，也会在变换器升压工作时，会在输入端和输出端之间产生高频脉动电压，引起安全问题和电磁干扰等问题，会降低变换器的可靠性，因此，本实施例的燃料电池电源U_in的负极端、开关管Q₂的源极、电容C₄的负极和负载R_L的负极共地。

所述二极管D₁的阳极连接燃料电池的正极端，二极管D₁的阴极连电感L的一端；二极管D₂的阳极连接开关管Q₂的漏极，二极管D₂的阴极连接二极管D₃的阳极，二极管D₃的阴极连接二极管D₄的阳极，二极管D₄的阴极连接电容C₃。

如图2所示，为本实施例变换器三个开关管的调制策略，本实施例的所述述开关管Q₁和开关管Q₂同时开通和关断，开关管Q₁和开关管Q₂采用同一个PWM驱动信号V_{g1_2}，并且，开关管Q₃的PWM驱动信号V_g3与PWM驱动信号V_{g1_2}波形互补。

本实施例的变换器包括第一工作模态和第二工作模态，如图3所示，第一工作模态下，开关管Q₁和开关管Q₂开通，开关管Q₃关闭，此时，燃料电池串联电容C₁，通过开关管Q₁和开关管Q₂为电感L充电，电容C₄通过二极管D₃和开关管Q₂为电容C₂充电，电容C₃与电容C₄串联为负载R_L放电；

根据图3的等效电路，利用基尔霍夫电压定律，得到公式(1)。

式中，U_C1、U_C2、U_C3、U_C4分别为电容C₁、C₂、C₃、C₄的电压；U_Lon为电路ON状态时电感L两端的电压；U_O是变换器输出电压。

为了方便分析，本实施例中的电路中电感、电容和功率半导体器件均为理想元件，电容和电感足够大，忽略二极管正向导通压降和开关管导通电阻，忽略电路的杂散参数。

如图4所示，第二工作模态下，开关管Q₁和开关管Q₂关闭，开关管Q₃开通，此时，燃料电池串联电容C₁和电容C₂，通过开关管Q₃和二极管D₄为负载R_L和电容C₃、电容C₄的串联部分充电，燃料电池串联电容C₁，通过开关管Q₃和D₂为电容C₄充电，电感L通过开关管Q₃和二极管D₁位电容C₁充电。

根据图4的等效电路，利用基尔霍夫电压定律分析附图4等效电路，得到公式(2)。

式中，U_Loff为电路OFF状态时电感L两端的电压。

根据伏秒平衡定律，电路稳态时电感在一个开关周期内储存和释放的电电量是相等的，电感L充放电波形参见附图6。对电感L列出伏秒平衡方程，得到公式(3)。

dTU_Lon+(1-d)TU_Loff＝0 (3)

联立(1)、(2)、(3)三组公式，得到变换器理论电压增益M如公式(4)所示。

其中，d为开关管Q₁和开关管Q₂的PWM驱动信号V_{g1_2}的占空比，且0<d<0.5。

附图5为本发明变换器的理论电压增益图，可以看出变换器在获得高增益的同时，占空比始终小于0.5，不会出现过大的占空比。

联立(1)、(2)、(3)三组公式，可以得到变换器中所有功率半导体器件和电容的电压应力如公式(5)所示。

其中，U_Q1、U_Q2、U_Q3分别为开关管Q₁、开关管Q₂、开关管Q₃的电压应力；U_D1、U_D2、U_D3、U_D4分别为二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄的电压应力可见，所述开关管Q₁的电压应力、二极管D₁的电压应力和电容C₁的电压应力相同；开关管Q₂的电压应力、开关管Q₃的电压应力、二极管D₂的电压应力、二极管D₃的电压应力、二极管D₄的电压应力、电容C₂的电压应力、电容C₃的电压应力和电容C₄的电压应力相同。变换器电路中所有功率半导体器件和电容的电压应力均不超过输出电压的一半，具有较低的电压应力，有利于器件的选型和和降低变换器的成本。

为了验证所提出的DC-DC变换器的有效性，本实施例搭建了一台100W的实验样机进行实验验证，主控器采用TMS320F28335作为主控器，系统采用输出电压负反馈进行闭环控制。样机额定输入20V～80V，额定输出为200V，额定负载电阻为400Ω，开关频率为20kHz。当样机输入电压U_in＝25V，输出电压参考值设定为200V时，电压增益为8倍，所测量的实验波形如图7至图11所示。从图7中可以看出变换器的开关频率为20kHz，闭环系统稳定后开关管驱动电压占空比为d≈0.44，比公式(4)的理论计算占空比d＝0.428略大，这是由于变换器实际器件的杂散参数引起的升压比变化，在实际输出电压达不到参考值时，闭环系统自动提高驱动电压的占空比，使得输出电压增加。系统稳定后变换器输出电压U_O一直稳定在参考值200V。从图8至图11可以看出所有器件的实测电压应力为：U_Q1＝75V、U_C1＝72V、U_D1＝72V,与公式(5)的理论计算结果U_O/2-U_in＝75V基本一致。U_Q2＝100V、U_Q3＝102V、U_C2＝98V、U_C3＝100V、U_C4＝100V、U_D2＝100V、U_D3＝102V、U_D4＝100V，与公式(5)的理论计算结果U_O/2＝100V基本一致。

通过以上实验结果验证了本实施例的拓扑结构的合理性和闭环控制系统的稳定性，本实施例的DC-DC变换器电路具有高增益，所有电容和功率半导体器件的实测电压应力均不超过输出电压的一半，这对减少变换器的成本、体积和提高效率具有益处。本实施例的变换器在U_O＝200V的条件下，输入电压从30V变化到60V，分别在100W、80W和50W的条件下进行效率测试，变换器样机的效率测试曲线如图12所示，由图可见，在输出功率一定时，随着变换器输入电压的增加，输入端电流较少，器件的损耗减少，整体效率增加，100W下最大效率为93.1％，80W时最大效率为93.8％，50W时最大效率为95.4％。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种汽车用燃料电池高增益DC-DC变换器，所述变换器的前级输入端连接燃料电池，变换器的后级输出端连接负载R_L，其特征在于：包括电容C₁、电容C₂、电容C₃、电容C₄、开关管Q₁、开关管Q₂开关管Q₃、二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄和电感L；

燃料电池的正极通过二极管D₁连接电感L的一端，电感L的另一端连接二极管D₂，二极管D₂与二极管D₃和二极管D₄依次串联后通过串联连接的电容C₃和电容C₄接入燃料电池的负极端；开关管Q₂的漏极连接电感与二极管D₂之间，开关管Q₂的源极连接燃料电池的负极端；开关管Q₁的源极连接在二极管D₁与电感L之间，开关管Q₁的漏极连接开关管Q₃的漏极，开关管Q₃的源极连接开关管Q₂的漏极；电容C₁的两端分别连接燃料电池的正极端和开关管Q₁的漏极，电容C₂一端连接开关管Q₃的源极，电容C₂的另一端接在二极管D₃和二极管D₄之间；所述负载R_L的一端接在二极管D₄与电容C₃之间，负载R_L的另一端连接燃料电池的负极端；

所述开关管Q₁和开关管Q₂同时开通和关断，开关管Q₁和开关管Q₂采用同一个PWM驱动信号V_{g1_2}；所述开关管Q₃的PWM驱动信号V_g3与PWM驱动信号V_{g1_2}波形互补；

所述变换器包括第一工作模态和第二工作模态，第一工作模态下，开关管Q₁和开关管Q₂开通，开关管Q₃关闭；燃料电池串联电容C₁，通过开关管Q₁和开关管Q₂为电感L充电，电容C₄通过二极管D₃和开关管Q₂为电容C₂充电，电容C₃与电容C₄串联为负载R_L放电；

第二工作模态下，开关管Q₁和开关管Q₂关闭，开关管Q₃开通；燃料电池串联电容C₁和电容C₂，通过开关管Q₃和二极管D₄为负载R_L和电容C₃、电容C₄的串联部分充电，燃料电池串联电容C₁，通过开关管Q₃和D₂为电容C₄充电，电感L通过开关管Q₃和二极管D₁位电容C₁充电。

2.根据权利要求1所述一种汽车用燃料电池高增益DC-DC变换器，其特征在于：所述电容C₁的负极端连接燃料电池的正极端，电容C₁的正极连接开关管Q₁的漏极；电容C₂的负极连接开关管Q₃的源极，电容C₂的正极接在二极管D₃和二极管D₄之间；电容C₃的正极连接二极管D₄，电容C₃的负极连接电容C₄的正极，电容C₄的负极连接电池的负极。

3.根据权利要求1所述一种汽车用燃料电池高增益DC-DC变换器，其特征在于：所述燃料电池的负极端、开关管Q₂的源极、电容C₄的负极和负载R_L的负极共地。

4.根据权利要求1所述一种汽车用燃料电池高增益DC-DC变换器，其特征在于：所述二极管D₁的阳极连接燃料电池的正极端，二极管D₁的阴极连电感L的一端；二极管D₂的阳极连接开关管Q₂的漏极，二极管D₂的阴极连接二极管D₃的阳极，二极管D₃的阴极连接二极管D₄的阳极，二极管D₄的阴极连接电容C₃。

5.根据权利要求1所述一种汽车用燃料电池高增益DC-DC变换器，其特征在于：所述开关管Q₁的电压应力、二极管D₁的电压应力和电容C₁的电压应力相同；开关管Q₂的电压应力、开关管Q₃的电压应力、二极管D₂的电压应力、二极管D₃的电压应力、二极管D₄的电压应力、电容C₂的电压应力、电容C₃的电压应力和电容C₄的电压应力相同。

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