CN208820683U - 燃料电池用交错并联dc-dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种燃料电池用交错并联DC‑DC变换器,涉及DC‑DC变换器技术领域。所述交错并联DC‑DC变换器具有升降压功能,此时变换器主要工作于Boost模式,其主电路是在两相交错并联的Buck‑Boost电路基础上加入开关电容,并且变换一相开关管位置,其中,Buck‑Boost电路包括功率开关管、功率二极管、滤波电感和滤波电容。交错并联拓扑结构电路具有输入输出电流纹波小,开关器件电压应力低,各相电感电流均流等优点。控制算法引入单神经元自适应PID控制算法,控制单元是以FPGA+DSP为平台搭建的,将DSP芯片优秀的运算性能与FPGA芯片的高实时性等优点结合起来,保障系统的快速性与稳定性。

Description

燃料电池用交错并联DC-DC变换器
技术领域
本实用新型涉及DC-DC变换器技术领域,尤其涉及一种燃料电池用交错并联DC-DC变换器。
背景技术
氢气与氧气通过化学作用产生零污染的水,具有清洁高效等优点,能成为供人类发展的新能源之一。氢燃料电池是氢能最理想的利用形式,但由于氢燃料电池燃料供给的波动性会对电能的产生造成不稳定的影响,使其输出特性偏软,这就需要加入一个高效可靠的DC-DC变换器。为减小变换器的体积,通常需要提高开关频率,但开关频率不能无限增大,这样会带来很大的开关损耗,为避免设备中产生的热量过多及负载端有较大输出纹波,普遍采用多相交错并联拓扑结构,并联电源优点很多,如大容量、高效率;冗余配置提高系统可靠性;实现电源模块化等。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是如何提供一种具有输入输出电流纹波小,开关器件电压应力低,各相电感电流均流的燃料电池用交错并联DC-DC 变换器。
为解决上述技术问题,本实用新型所采取的技术方案是:一种燃料电池用交错并联DC-DC变换器,其特征在于:包括输入电容Cb,所述电容Cb的一端分为三路,第一路与输入电源Vin的正极连接,第二路与电感Lf的一端连接,第三路与电感L1的一端连接,所述电容Cb的另一端与所述电源Vin的负极连接,所述电感Lf的另一端分为两路,第一路与功率开关管Sf1的漏极连接,第二路与所述功率开关管Sf2的源极连接,所述电感L1的另一端分为两路,第一路与开关电容Cf的负极连接,第二路与功率开关管S1的漏极连接,所述功率开关管S1的源极以及功率开关管Sf1的源极与所述电源Vin的负极连接,二极管D1的正极与功率开关管S1的源极连接,二极管D1的负极与功率开关管S1的漏极连接,二极管Df1的正极与功率开关管Sf1的源极连接,二极管Df1的负极与功率开关管Sf1的漏极连接,二极管D2的正极与功率开关管S2的源极连接,二极管D2的负极与功率开关管S2的漏极连接,二极管Df2的正极与功率开关管Sf2的源极连接,二极管Df2的负极与功率开关管Sf2的漏极连接,所述功率开关管 Sf2的漏极分为两路,第一路与功率开关管S2的源极连接,第二路与滤波电容 Cf的正极连接,所述电容Cf的正极与所述功率开关管S2的源极连接,所述功率开关管S2的漏极与输出电容Cd的正极连接,所述输出电容Cd的负极与所述电源Vin的负极连接,所述输出电容Cd的两端分别为所述DC-DC变换器的两个输出端,上端为输出正极端,下端为输出负极端,两个所述输出端分别与负载连接,用于为负载供电,所述功率开关管Sf1-Sf2以及功率开关管S1-S2的栅极分别与驱动电路的四路输出端连接,用于分别接收驱动电路输出的4路PWM 波控制信号,功率开关管S1的栅极驱动信号与功率开关管Sf1的栅极驱动信号相位相差为180°,功率开关管S2的栅极驱动信号与功率开关管Sf2的栅极驱动信号的相位相差为180°,功率开关管S1的栅极和功率开关管Sf1的栅极有驱动信号条件下所述变换器工作在Boost模式,功率开关管S2的栅极和功率开关管Sf2的栅极有驱动信号条件下所述变换器工作在Buck模式。
进一步的技术方案在于:所述变换器还包括电压采集器、自适应PID控制单元以及驱动电路,所述电压采集器用于实时采集所述变换器输出的电压,所述电压采集器的信号输出端与所述自适应PID控制单元的信号输入端连接,所述自适应PID控制单元用于对电压采集器采集的电压数据与参考电压作比较,并进行数据处理,所述自适应PID控制单元的控制输出端与所述驱动电路的控制输入端连接,经过所述驱动电路中的移相控制单元控制输出4路具有相位差的PWM波,通过输出的PWM波信号控制所述功率开关管Sf1-Sf2以及功率开关管S1-S2的导通或截止。
进一步的技术方案在于:所述自适应PID控制单元包括DSP和FPGA。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于:所述交错并联DC-DC变换器具有升降压功能,此时变换器主要工作于Boost模式,其主电路是在两相交错并联的Buck-Boost电路基础上加入开关电容,并且变换一相开关管位置,其中,Buck-Boost电路包括功率开关管、功率二极管、滤波电感和滤波电容。交错并联拓扑结构电路具有输入输出电流纹波小,开关器件电压应力低,各相电感电流均流等优点。控制单元是以FPGA+DSP为平台搭建的,将DSP芯片优秀的运算性能与FPGA芯片的高实时性等优点结合起来,保障系统的快速性与稳定性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
图1是本实用新型实施例所述变换器的原理框图;
图2是本实用新型实施例所述变换器的电路原理图;
图3是本实用新型实施例所述变换器的单神经元自适应控制流程图。
具体实施方式
下面结合本实用新型实施例中的附图,对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本实用新型保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型,但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广,因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1-图2所示,本实用新型实施例公开了一种燃料电池用交错并联 DC-DC变换器,包括输入电容Cb,所述电容Cb的一端分为三路,第一路与输入电源Vin的正极连接,第二路与电感Lf的一端连接,第三路与电感L1的一端连接,所述电容Cb的另一端与所述电源Vin的负极连接,所述电感Lf的另一端分为两路,第一路与功率开关管Sf1的漏极连接,第二路与所述功率开关管Sf2的源极连接,所述电感L1的另一端分为两路,第一路与开关电容Cf的负极连接,第二路与功率开关管S1的漏极连接,所述功率开关管S1的源极以及功率开关管Sf1的源极与所述电源Vin的负极连接,二极管D1的正极与功率开关管 S1的源极连接,二极管D1的负极与功率开关管S1的漏极连接,二极管Df1的正极与功率开关管Sf1的源极连接,二极管Df1的负极与功率开关管Sf1的漏极连接,二极管D2的正极与功率开关管S2的源极连接,二极管D2的负极与功率开关管S2的漏极连接,二极管Df2的正极与功率开关管Sf2的源极连接,二极管Df2的负极与功率开关管Sf2的漏极连接,所述功率开关管Sf2的漏极分为两路,第一路与功率开关管S2的源极连接,第二路与滤波电容Cf的正极连接,所述电容Cf的正极与所述功率开关管S2的源极连接,所述功率开关管S2的漏极与输出电容Cd的正极连接,所述输出电容Cd的负极与所述电源Vin的负极连接,所述输出电容Cd的两端分别为所述DC-DC变换器的两个输出端,上端为输出正极端,下端为输出负极端,两个所述输出端分别与负载连接,用于为负载供电,所述功率开关管Sf1-Sf2以及功率开关管S1-S2的栅极分别与驱动电路的四路输出端连接,用于分别接收驱动电路输出的4路PWM波控制信号,功率开关管S1的栅极驱动信号与功率开关管Sf1的栅极驱动信号相位相差为180°,功率开关管S2的栅极驱动信号与功率开关管Sf2的栅极驱动信号的相位相差为 180°,功率开关管S1的栅极和功率开关管Sf1的栅极有驱动信号条件下所述变换器工作在Boost模式,功率开关管S2的栅极和功率开关管Sf2的栅极有驱动信号条件下所述变换器工作在Buck模式。
进一步的,如图1-图2所示,所述变换器还包括电压采集器、自适应PID 控制单元以及驱动电路,所述电压采集器用于实时采集所述变换器输出的电压,所述电压采集器的信号输出端与所述自适应PID控制单元的信号输入端连接,所述自适应PID控制单元用于对电压采集器采集的电压数据与参考电压作比较,并进行数据处理,所述自适应PID控制单元的控制输出端与所述驱动电路的控制输入端连接,经过所述驱动电路中的移相控制单元控制输出4路具有相位差的PWM波,通过输出的PWM波信号控制所述功率开关管Sf1-Sf2以及功率开关管S1-S2的导通或截止。
所述交错并联DC-DC变换器具有升降压功能,此时变换器主要工作于Boost模式,其主电路是在两相交错并联的Buck-Boost电路基础上加入开关电容,并且变换一相开关管位置,其中,Buck-Boost电路包括功率开关管、功率二极管、滤波电感和滤波电容。交错并联拓扑结构电路具有输入输出电流纹波小,开关器件电压应力低,各相电感电流均流等优点。控制算法引入单神经元自适应PID控制算法,控制单元是以FPGA+DSP为平台搭建的,将DSP芯片优秀的运算性能与FPGA芯片的高实时性等优点结合起来,保障系统的快速性与稳定性。
电感L1和电感Lf的容量相同;功率开关管以及功率二极管选型均相同;输入电容Cb,输出电容Cd及开关电容Cf容量均不同;开关频率为20kHz,通过控制单元及驱动电路单元控制触发功率开关管的栅极端,使得所述变换器工作在Boost模式或者Buck模式,功率开关管S1和Sf1栅极驱动信号相位相差180 °,功率开关管S2和Sf2栅极驱动信号相位相差180°,只有功率开关管S1和 Sf1栅极有驱动信号条件下变换器工作在Boost模式,只有功率开关管S2和Sf2栅极有驱动信号条件下变换器工作在Buck模式,燃料电池用条件下变换器主要工作在Boost模式。两交错Buck-Boost主电路工作在连续导通状态 (Continuous ConductionMode,CCM),并且所述变换器工作在Boost模式,其工作过程可以分为4种模态:
模态1:功率开关管Sf1和二极管D2导通,功率开关管S1、二极管Df2关断,负载电流由电感L1及开关电容Cf提供,电感L1的电流iL1和开关电容Cf的电压UCf均线性下降,同时电源Vin对电感Lf充电,电感Lf的电流iLf线性增加。
模态2:功率开关管S1和功率开关管Sf1导通,二极管D2、二极管Df2关断,电源Vin对电感Lf以及电感L1充电,电感Lf以及电感L1的电流iLf,iL1不断增大,此时电压UCf保持不变。
模态3:功率开关管S1和二极管Df2导通,功率开关管Sf2、二极管D2关断,电源Vin继续对电感L1充电,电流iL1保持线性增加,电感Lf对开关电容Cf充电,电压UCf上升,电感电流iLf下降。
模态4:与模态2相同。
如图3所示为所述变换器的单神经元自适应单元的算法流程图。
控制算法为如果权系数的调整按照有监督的Hebb学习规则来实现,在学习算法中加入监督项z(k),则神经网络权值学习算法为
其中
u(k)为此刻采回的反馈输出电压值;u(k-1)为上一时刻输出电压值;K为神经元的比例系数;xi(i=1,2,3)为状态转换的输出,输入为参考电压与测得的反馈电压差值e(k);wi(i=1,2,3)为调整权值,能使误差函数e(k)快速趋于0;ηP、ηI
、ηD分别为学习系数。
工作过程:电压采集器连续采回DC-DC变换器输出端的电压值u(k),存入自适应PID控制单元,与参考电压Vref比较后得到误差函数值e(k),作为状态转换的输入。状态转换的输出x1、x2、x3作为神经元的输入,通过自适应PID 算法和控制增益K得到神经元的输出△u(k),而改进Hebb算法按梯度法则,沿系统误差的负方向自动在线调整权值wi,使系统误差e(k)快速趋于零,得到新的u(k)=u(k-1)+Δu(k)作用于驱动电路,得到合适的占空比D。再通过驱动单元的移相控制电路得到4路具有相位差的PWM波发至DC-DC变换器主电路的四个功率开关管,从而实现快速稳压的要求。

Claims (3)

1.一种燃料电池用交错并联DC-DC变换器,其特征在于:包括输入电容Cb,所述电容Cb的一端分为三路,第一路与输入电源Vin的正极连接,第二路与电感Lf的一端连接,第三路与电感L1的一端连接,所述电容Cb的另一端与所述电源Vin的负极连接,所述电感Lf的另一端分为两路,第一路与功率开关管Sf1的漏极连接,第二路与所述功率开关管Sf2的源极连接,所述电感L1的另一端分为两路,第一路与开关电容Cf的负极连接,第二路与功率开关管S1的漏极连接,所述功率开关管S1的源极以及功率开关管Sf1的源极与所述电源Vin的负极连接,二极管D1的正极与功率开关管S1的源极连接,二极管D1的负极与功率开关管S1的漏极连接,二极管Df1的正极与功率开关管Sf1的源极连接,二极管Df1的负极与功率开关管Sf1的漏极连接,二极管D2的正极与功率开关管S2的源极连接,二极管D2的负极与功率开关管S2的漏极连接,二极管Df2的正极与功率开关管Sf2的源极连接,二极管Df2的负极与功率开关管Sf2的漏极连接,所述功率开关管Sf2的漏极分为两路,第一路与功率开关管S2的源极连接,第二路与滤波电容Cf的正极连接,所述电容Cf的正极与所述功率开关管S2的源极连接,所述功率开关管S2的漏极与输出电容Cd的正极连接,所述输出电容Cd的负极与所述电源Vin的负极连接,所述输出电容Cd的两端分别为所述DC-DC变换器的两个输出端,上端为输出正极端,下端为输出负极端,两个所述输出端分别与负载连接,用于为负载供电,所述功率开关管Sf1- Sf2以及功率开关管S1- S2的栅极分别与驱动电路的四路输出端连接,用于分别接收驱动电路输出的4路PWM波控制信号,功率开关管S1的栅极驱动信号与功率开关管Sf1的栅极驱动信号相位相差为180°,功率开关管S2的栅极驱动信号与功率开关管Sf2的栅极驱动信号的相位相差为180°,功率开关管S1的栅极和功率开关管Sf1的栅极有驱动信号条件下所述变换器工作在Boost模式,功率开关管S2的栅极和功率开关管Sf2的栅极有驱动信号条件下所述变换器工作在Buck模式。
2.如权利要求1所述的燃料电池用交错并联DC-DC变换器,其特征在于:所述变换器还包括电压采集器、自适应PID控制单元以及驱动电路,所述电压采集器用于实时采集所述变换器输出的电压,所述电压采集器的信号输出端与所述自适应PID控制单元的信号输入端连接,所述自适应PID控制单元用于对电压采集器采集的电压数据与参考电压作比较,并进行数据处理,所述自适应PID控制单元的控制输出端与所述驱动电路的控制输入端连接,经过所述驱动电路中的移相控制单元控制输出4路具有相位差的PWM波,通过输出的PWM波信号控制所述功率开关管Sf1- Sf2以及功率开关管S1- S2的导通或截止。
3.如权利要求2所述的燃料电池用交错并联DC-DC变换器,其特征在于:所述自适应PID控制单元包括DSP和FPGA。
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