CN217063567U - 一种燃料电池系统的二次升压高增益直流-直流转换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型针对现有技术的局限性，提供了一种燃料电池系统的二次升压高增益直流‑直流转换器，在直流‑直流升压斩波电路中加入了二次型升压电路以及与钳位电路相结合的倍压单元，既可以通过增大开关管占空比来提高输出电压，也可以通过设置耦合电感中初级绕组和次级绕组的变比来获得较高的升压比，实现了高电压输出，同时又有效抑制了耦合电感中的漏感在开关关断时产生的电压尖峰，减小了加在开关两端的电压；实现了在较小的占空比和较小的开关管电压应力的情况下进行高增益输出，提高了电路的工作可靠性和工作性能，克服了直流‑直流升压斩波电路升压时需工作在极大占空比条件下以及耦合电感的漏感在开关关断时产生的电压尖峰等技术问题。

Description

一种燃料电池系统的二次升压高增益直流-直流转换器

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池系统的二次升压高增益直流-直流转换器。

背景技术

目前，环境污染问题在化石燃料的大量使用下愈发严重，为了可持续性发展，全球各国不断开发新型及可再生能源，我国也推出了符合自身国情的新能源发展计划。其中新能源电动车产业中的燃料电池技术，相较于传统的电池技术，具有高能效、低噪音、低排放的优点，是最有应用前景的发电技术。

随着新能源电动汽车行业技术的突飞猛进，其电源稳定性和续航里程上的缺陷已经越来越不能满足市场的需求，致使发展受限。传统的燃料电池系统中的直流-直流转换器是由低电压等级转换为高电压等级的非隔离型变换器，它理论上采用传统的直流-直流升压斩波电路调整电路的占空比升高电压等级。但传统直流-直流升压斩波电路想要获得较高的电压倍数，则需要工作在较高占空比的情况，这导致开关管导通损耗较大，因此不适用于高增益场合。

传统的燃料电池系统的直流-直流转换器的增益并不能达到理想的高增益。而公告日为2020.10.09的中国发明专利：一种基于双耦合电感的高增益DC-DC变换器中，旨在解决单级开关电容升压能力不足的缺陷，同时通过钳位电路吸收耦合电感的漏感能量，避免开关器件过高的电压尖峰，降低开关器件的电压应力，减小变换器的损耗。

而公开日为2021.09.14的中国发明申请：一种高电压增益DC-DC直流变换器中，则提供了一种集成三绕组耦合电感和开关电容电路的高电压增益DC-DC直流变换器方案，试图运用耦合电感提高静态增益，结合其他原件整体产生非常高的电压转换比，提供额外的电压增益。

但上述现有技术的工作可靠性和工作性能仍有一定的提升改进空间，在仍燃料电池电能转换等高增益场合有一定的局限性。

实用新型内容

本实用新型为解决现有技术的局限性，提供了一种燃料电池系统的二次升压高增益直流-直流转换器。

为实现以上实用新型目的，采用的技术方案是：

一种燃料电池系统的二次升压高增益直流-直流转换器，一级升压电路、二级升压电路、倍压单元、钳位电路以及输出电路；其中：

所述一级升压电路的输入端连接外部输入电源，输出端连接所述二级升压电路的输入端；所述二级升压电路与所述钳位电路共享同一个电容，所述二级升压电路的输出端连接所述倍压单元的输入端；所述倍压单元的输出端连接输出电路。

相较于现有技术，本实用新型所提出的转换器在直流-直流升压斩波电路中加入了二次型升压电路以及与钳位电路相结合的倍压单元，使得该电路既可以通过增大开关管占空比来提高输出电压，也可以通过设置耦合电感中初级绕组和次级绕组的变比来获得较高的升压比，实现了高电压输出，同时又有效抑制了耦合电感中的漏感在开关关断时产生的电压尖峰，减小了加在开关两端的电压；该方案实现了在较小的占空比和较小的开关管电压应力的情况下进行高增益输出，提高了电路的工作可靠性和工作性能，克服了直流-直流升压斩波电路升压时需工作在极大占空比条件下以及耦合电感的漏感在开关关断时产生的电压尖峰等诸多技术问题。

作为一种优选实施例，包括电感L₁、二极管D₁、二极管D₂、电容C₁和开关管S；其中：

所述电感L₁的第一端与外部输入电源V_in的正极连接，第二端与所述二极管D₁的阴极以及二极管D₂的阴极连接；

外部输入电源V_in的负极与所述电容C₁的负极以及开关管S的源极连接；

所述二极管D₂的阳极与所述电容C₁的正极连接；

所述电感L₁、二极管D₁、二极管D₂、电容C₁和开关管S共同构成了所述一级升压电路。

进一步的，还包括耦合电感初级绕组N_p、电容C₃以及二极管D₃；其中：

所述耦合电感初级绕组N_p的第一端与连接所述二极管D₁的阳极、二极管D₃的阴极以及开关管S的漏极连接，第二端与所述二极管D₂的阳极以及电容C₁的正极连接；

所述二极管D₃的阳极与所述电容C₃的正极连接；

所述电容C₃的负极与所述开关管S的源极、所述电容C₁的负极以及外部输入电源V_in的负极连接；

所述耦合电感初级绕组N_p、电容C₃以及二极管D₃，与所述电容C₁以及开关管S共同构成了所述二级升压电路。

更进一步的，还包括电容C₂、耦合电感次级绕组N_s、电容C₄、二极管D₄以及二极管D₅；其中：

所述电容C₂的负极与所述耦合电感初级绕组N_p的第一端、二极管D₁的阳极、二极管D₃的阴极以及开关管S的漏极连接，正极与所述二极管D₅的阴极以及耦合电感次级绕组N_s的第一段连接；

所述二极管D₅的阳极与所述电容C₄的正极连接；

所述耦合电感初级绕组N_p的第二端所述二极管D₄的阳极以及所述电容C₄的负极连接；

所述二极管D₄的阴极与所述二极管D₃的阳极以及电容C₃的正极连接；

所述二极管D₃、电容C₂、耦合电感次级绕组N_s、电容C₄、二极管D₄以及二极管D₅共同构成了所述倍压单元

更进一步的，所述开关管S、电容C₃以及二极管D₃共同构成了所述钳位电路。

更进一步的，所述输出电路包括二极管D₆、输出电容C_o以及电阻R_o；其中：

所述二极管D₆的阴极与所述二极管D₅的阳极以及所述电容C₄的正极连接，阳极与所述输出电容C_o的正极以及电阻R_o的第一端连接；

所述输出电容C_o的负极与电阻R_o的第二端、电容C₃的负极、开关管S的源极、所述电容C₁的负极以及外部输入电源V_in的负极连接；

电阻R_o的两端作为所述输出电路的输出端。

更进一步的，所述开关管S的导通或关断切换所述燃料电池系统的二次升压高增益直流-直流转换器的工作状态。

更进一步的，所述开关管S导通时，所述二极管D₁、二极管D₄和二极管D₅导通，而所述二极管D₂、二极管D₃以及二极管D₆关断。

更进一步的，所述开关管S关断时，所述二极管D₂、二极管D₃以及二极管D₆导通，而所述二极管D₁、二极管D₄以及二极管D₅关断。

本实用新型还提供以下内容：

一种燃料电池系统，其设有前述的燃料电池系统的二次升压高增益直流-直流转换器。

附图说明

图1为本实用新型实施例1提供的燃料电池系统的二次升压高增益直流-直流转换器的示意图；

图2为本实用新型实施例2所述燃料电池系统的二次升压高增益直流-直流转换器在开关管S导通情况下的等效电路示意图；

图3为本实用新型实施例2所述燃料电池系统的二次升压高增益直流-直流转换器在开关管S关断情况下的等效电路示意图；

附图标记说明：

V_in表示外部输入电源；V_X表示该元器件X两端的电压；L_p、L_s表示耦合电感绕组；S表示开关管；C表示电容；D表示二极管；R表示电阻。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请实施例中的实施例，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它实施例，都属于本申请实施例保护的范围。

在本申请实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请实施例。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步的阐述。

以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步的阐述。

实施例1

请参阅图1，一种燃料电池系统的二次升压高增益直流-直流转换器，一级升压电路1、二级升压电路2、倍压单元3、钳位电路4以及输出电路5；其中：

所述一级升压电路1的输入端连接外部输入电源，输出端连接所述二级升压电路2的输入端；所述二级升压电路2与所述钳位电路4共享同一个电容，所述二级升压电路2的输出端连接所述倍压单元3的输入端；所述倍压单元3的输出端连接输出电路5。

相较于现有技术，本实施例所提出的转换器在直流-直流升压斩波电路中加入了二次型升压电路以及与钳位电路相结合的倍压单元，使得该电路既可以通过增大开关管占空比来提高输出电压，也可以通过设置耦合电感中初级绕组和次级绕组的变比来获得较高的升压比，实现了高电压输出，同时又有效抑制了耦合电感中的漏感在开关关断时产生的电压尖峰，减小了加在开关两端的电压；该方案实现了在较小的占空比和较小的开关管电压应力的情况下进行高增益输出，提高了电路的工作可靠性和工作性能，克服了直流-直流升压斩波电路升压时需工作在极大占空比条件下以及耦合电感的漏感在开关关断时产生的电压尖峰等诸多技术问题。

具体的，所述一级升压电路1为由电感、电容元件以及二极管元件实现的增益电路；所述二级升压电路2为由耦合电感初级绕组、电容元件以及二极管元件实现的升压电路；所述钳位电路4为由电容元件以及二极管元件实现的钳位电路；所述输出电路5为滤波电容以及负载组成的输出电路。

作为一种优选实施例，包括电感L₁、二极管D₁、二极管D₂、电容C₁和开关管S；其中：

所述电感L₁的第一端与外部输入电源V_in的正极连接，第二端与所述二极管D₁的阴极以及二极管D₂的阴极连接；

外部输入电源V_in的负极与所述电容C₁的负极以及开关管S的源极连接；

所述二极管D₂的阳极与所述电容C₁的正极连接；

所述电感L₁、二极管D₁、二极管D₂、电容C₁和开关管S共同构成了所述一级升压电路1。

进一步的，还包括耦合电感初级绕组N_p、电容C₃以及二极管D₃；其中：

所述耦合电感初级绕组N_p的第一端与连接所述二极管D₁的阳极、二极管D₃的阴极以及开关管S的漏极连接，第二端与所述二极管D₂的阳极以及电容C₁的正极连接；

所述二极管D₃的阳极与所述电容C₃的正极连接；

所述电容C₃的负极与所述开关管S的源极、所述电容C₁的负极以及外部输入电源V_in的负极连接；

所述耦合电感初级绕组N_p、电容C₃以及二极管D₃，与所述电容C₁以及开关管S共同构成了所述二级升压电路2。

进一步的，还包括电容C₂、耦合电感次级绕组N_s、电容C₄、二极管D₄以及二极管D₅；其中：

所述电容C₂的负极与所述耦合电感初级绕组N_p的第一端、二极管D₁的阳极、二极管D₃的阴极以及开关管S的漏极连接，正极与所述二极管D₅的阴极以及耦合电感次级绕组N_s的第一段连接；

所述二极管D₅的阳极与所述电容C₄的正极连接；

所述耦合电感初级绕组N_p的第二端所述二极管D₄的阳极以及所述电容C₄的负极连接；

所述二极管D₄的阴极与所述二极管D₃的阳极以及电容C₃的正极连接；

所述二极管D₃、电容C₂、耦合电感次级绕组N_s、电容C₄、二极管D₄以及二极管D₅共同构成了所述倍压单元3。

进一步的，所述开关管S、电容C₃以及二极管D₃共同构成了所述钳位电路4。

进一步的，所述输出电路5包括二极管D₆、输出电容C_o以及电阻R_o；其中：

所述二极管D₆的阴极与所述二极管D₅的阳极以及所述电容C₄的正极连接，阳极与所述输出电容C_o的正极以及电阻R_o的第一端连接；

所述输出电容C_o的负极与电阻R_o的第二端、电容C₃的负极、开关管S的源极、所述电容C₁的负极以及外部输入电源V_in的负极连接；

电阻R_o的两端作为所述输出电路5的输出端。

作为一种优选实施例，所述开关管S为采用PWM控制信号控制的金属-氧化物半导体场效应晶体管。

金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，MOSFET)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)。

进一步的，所述开关管S的导通或关断切换所述燃料电池系统的二次升压高增益直流-直流转换器的工作状态。

更进一步的，所述开关管S采用PWM控制信号控制。

实施例2

本实施例可以视为从原理上，进一步说明与阐释实施例1中所述燃料电池系统的二次升压高增益直流-直流转换器在所述开关管S导通或关断下的两种主要工作状态。

请参阅图2，该图是开关管导通的阶段，当所述开关管S导通时，所述二极管D₁、二极管D₄和二极管D₅导通，而所述二极管D₂、二极管D₃以及二极管D₆关断(图中关断部分的元器件已虚化处理)。

在所述开关管S导通的阶段中：

外部输入电源V_in给所述电感L₁提供能量；所述电容C₁给所述耦合电感初级绕组N_p与其等效电感L_m充电；所述耦合电感次级绕组N_s给所述电容C₂以及电容C₄充电。此时所述电容C₃的能量释放给所述电容C₂。所述输出电容C_o给负载R_o提供能量。

具体的，所述耦合电感L₁两端电压等于所述外部输入电源V_in的输入电压：

V_{L1_on}＝V_in (1)

等效电感电压V_Lm两端的电压等于所述电容C₁两端的电压V_C1。

V_{Lm_on}＝V_C1 (2)

所述耦合电感初级绕组N_p与耦合电感次级绕组N_s的匝数比为(N_p:N_s＝1:n)，结合(2)式，可以得出所述耦合电感次级绕组N_S的电压为：

V_NS＝nV_Lm (3)

根据基尔霍夫电压定律，可得在所述开关管S导通的阶段中，所述电容C₂两端的电压为：

V_C2＝nV_{Lm_on}+V_C3 (4)

则所述电容C₃两端的电压可表示为：

V_C3＝V_C2-nV_{Lm_on} (5)

参见附图2，所述电容C₄两端的电压等于所述耦合电感次级绕组N_S两端的电压，可表示为：

V_C4＝V_NS＝nV_{Lm_on} (6)

请参阅图3，所述开关管S关断时，所述二极管D₂、二极管D₃以及二极管D₆导通，而所述二极管D₁、二极管D₄以及二极管D₅关断(图中关断部分的元器件已虚化处理)。

在所述开关管S关断的阶段中：

外部输入电源V_in与所述电感L₁串联，为所述电容C₁提供能量；所述电容C₁和所述耦合电感初级绕组N_p串联，通过正向导通的所述二极管D₂为所述电容C₃提供能量；所述电容C₁、耦合电感初级绕组N_p、电容C₂以及电容C₄形成释放能量回路，同时给所述电容C_o和负载R_o提供能量。

具体的，根据基尔霍夫电压定律，可得开关管S关断的阶段所述电感L₁的电压为：

V_{L1_off}＝V_in-V_C1 (7)

由基尔霍夫电压定律，开关管关断阶段，所述耦合电感L₁电压为：

V_{Lm_off}＝V_C1-V_C3 (8)

于此同时，参阅图3，根据基尔霍夫电压定律，存在等式如下：

V_{Lm_off}+V_NS-V_C2-V_C4+V_o＝0 (9)

根据电感的伏秒平衡，结合公式(1)和(7)；以及结合公式(2)和(8)可得所述电感L₁以及耦合电感初级绕组N_p的等效电感L_m的公式：

由所述电感L₁的公式(10)可得所述电容C₁的电压为：

结合式(11)和(12)可得所述电容C₃电压为：

由式(2)、(4)和(12)可得所述电容C₂电压为：

结合式(8)、(13)、(14)和(12)可得所述电容C₄电压为：

由所述耦合电感初级绕组N_p、耦合电感次级绕组N_S、电容C₁、电容C₂，电容C₄以及负载R_o组成的回路中，使用基尔霍夫电压定律可以得到所求增益M为：

从式(16)可以看出，电路中的电压增益既与开关管占空比D有关，又与耦合电感变比有关。传统直流-直流升压斩波电路仅能通过增大占空比提高电压增益，而本实施例所提供的双耦合电感高升压DC-DC电路在占空比不变的情况下，通过设置一组耦合电感变比可以达到较高的增益，可输出较高的电压，有效解决了传统直流-直流升压斩波电路需工作于极大占空比下等诸多问题。

实施例3

一种燃料电池系统，其设有如实施例1或2所述的燃料电池系统的二次升压高增益直流-直流转换器。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统的二次升压高增益直流-直流转换器，包括一级升压电路(1)、二级升压电路(2)、倍压单元(3)、钳位电路(4)以及输出电路(5)；其中：

所述一级升压电路(1)的输入端连接外部输入电源，输出端连接所述二级升压电路(2)的输入端；所述二级升压电路(2)与所述钳位电路(4)共享同一个电容，所述二级升压电路(2)的输出端连接所述倍压单元(3)的输入端；所述倍压单元(3)的输出端连接输出电路(5)。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统的二次升压高增益直流-直流转换器，其特征在于，包括电感L₁、二极管D₁、二极管D₂、电容C₁和开关管S；其中：

所述电感L₁的第一端与外部输入电源V_in的正极连接，第二端与所述二极管D₁的阴极以及二极管D₂的阴极连接；

外部输入电源V_in的负极与所述电容C₁的负极以及开关管S的源极连接；

所述二极管D₂的阳极与所述电容C₁的正极连接；

所述电感L₁、二极管D₁、二极管D₂、电容C₁和开关管S共同构成了所述一级升压电路(1)。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统的二次升压高增益直流-直流转换器，其特征在于，还包括耦合电感初级绕组N_p、电容C₃以及二极管D₃；其中：

所述耦合电感初级绕组N_p的第一端与连接所述二极管D₁的阳极、二极管D₃的阴极以及开关管S的漏极连接，第二端与所述二极管D₂的阳极以及电容C₁的正极连接；

所述二极管D₃的阳极与所述电容C₃的正极连接；

所述电容C₃的负极与所述开关管S的源极、所述电容C₁的负极以及外部输入电源V_in的负极连接；

所述耦合电感初级绕组N_p、电容C₃以及二极管D₃，与所述电容C₁以及开关管S共同构成了所述二级升压电路(2)。

4.根据权利要求3所述的燃料电池系统的二次升压高增益直流-直流转换器，其特征在于，还包括电容C₂、耦合电感次级绕组N_s、电容C₄、二极管D₄以及二极管D₅；其中：

所述电容C₂的负极与所述耦合电感初级绕组N_p的第一端、二极管D₁的阳极、二极管D₃的阴极以及开关管S的漏极连接，正极与所述二极管D₅的阴极以及耦合电感次级绕组N_s的第一段连接；

所述二极管D₅的阳极与所述电容C₄的正极连接；

所述耦合电感初级绕组N_p的第二端所述二极管D₄的阳极以及所述电容C₄的负极连接；

所述二极管D₄的阴极与所述二极管D₃的阳极以及电容C₃的正极连接；

所述二极管D₃、电容C₂、耦合电感次级绕组N_s、电容C₄、二极管D₄以及二极管D₅共同构成了所述倍压单元(3)。

5.根据权利要求3所述的燃料电池系统的二次升压高增益直流-直流转换器，其特征在于，所述开关管S、电容C₃以及二极管D₃共同构成了所述钳位电路(4)。

6.根据权利要求4所述的燃料电池系统的二次升压高增益直流-直流转换器，其特征在于，所述输出电路(5)包括二极管D₆、输出电容C_o以及电阻R_o；其中：

所述二极管D₆的阴极与所述二极管D₅的阳极以及所述电容C₄的正极连接，阳极与所述输出电容C_o的正极以及电阻R_o的第一端连接；

所述输出电容C_o的负极与电阻R_o的第二端、电容C₃的负极、开关管S的源极、所述电容C₁的负极以及外部输入电源V_in的负极连接；

电阻R_o的两端作为所述输出电路(5)的输出端。

7.根据权利要求6所述的燃料电池系统的二次升压高增益直流-直流转换器，其特征在于，所述开关管S的导通或关断切换所述燃料电池系统的二次升压高增益直流-直流转换器的工作状态。

8.根据权利要求7所述的燃料电池系统的二次升压高增益直流-直流转换器，其特征在于，所述开关管S导通时，所述二极管D₁、二极管D₄和二极管D₅导通，而所述二极管D₂、二极管D₃以及二极管D₆关断。

9.根据权利要求7所述的燃料电池系统的二次升压高增益直流-直流转换器，其特征在于，所述开关管S关断时，所述二极管D₂、二极管D₃以及二极管D₆导通，而所述二极管D₁、二极管D₄以及二极管D₅关断。

10.一种燃料电池系统，其特征在于，其设有如权利要求1至9所述的燃料电池系统的二次升压高增益直流-直流转换器。

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