CN104868726B - 一种宽增益三电平Boost直流变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽增益三电平Boost直流变换器,包括:三电平Boost直流变换器,其特征在于,所述宽增益三电平Boost直流变换器还包括:与所述三电平Boost直流变换器相连接的LCD三端升压网络;所述LCD三端升压网络由电感、第一极性电容和第一二极管构成。该结构不仅保留了传统三电平Boost直流变换器功率开关电压应力低的优点,而且拓宽了电压增益。调制度在趋向于0.25时,增益不断增大,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。因此,非常适用于燃料电池电动汽车的升压应用场合。
Description
技术领域
本发明涉及直流变换器领域,尤其涉及一种宽增益三电平Boost直流变换器,本发明涉及燃料电池电动汽车用升压直流变换器的应用场合。
背景技术
随着全球面临着石油资源的枯竭和环境污染的双重危机,传统的燃油汽车(包括轿车、运货车和公交车)将加速石油资源的枯竭、加重环境的污染,已不再适合未来社会的需求发展。因此,发展新能源汽车已成为各国政府的科技政策制定导向,也是我国从汽车大国走向汽车强国的必由之路。燃料电池电动汽车因其具有能源利用率高、噪声低、零污染的优势,已成为新能源汽车的重要组成部分。燃料电池一般将氢能等转换成直流电能,为电动汽车电力驱动***的逆变器直流母线侧提供电能,进而驱动车辆行进。但是,燃料电池存在着输出电压低、输出特性软的缺点,将其直接为逆变器直流母线提供电能,一方面存在着难以与驱动电机电压匹配的问题;另一方面,当驱动电机负载增大时,燃料电池的输出电压急剧下降,均难以维持电动汽车的正常行驶。
因此,在燃料电池与电动汽车电力驱动***的逆变器之间通过升压直流变换器接口,可以将燃料电池输出的电压稳定在逆变器所需的直流母线电压,从而解决上述问题。
传统的两电平Boost直流变换器具有结构简单的优点,但是将其应用到燃料电池电动汽车直流母线的升压场合,会带来功率器件电压应力高的问题,同时受电路寄生参数的影响,其实际的增益较窄,功率开关易运行在极端占空比状态,导致尖峰电流而降低效率,甚至造成功率开关不能有效关断的风险。传统三电平Boost直流变换器将功率开关的电压应力降低了一半,但其电压增益与两电平Boost直流变换器的增益相同,同样也易存在极端占空比问题。因此需拓宽升压直流变换器的电压增益,使其适用于燃料电池电动汽车升压场合。
发明内容
本发明提供了一种宽增益三电平Boost直流变换器,本发明由端升压网络与传统的三电平Boost直流变换器的三端级联,构成一种宽增益三电平Boost直流变换器拓扑,将燃料电池输出电压通过该升压变换器稳定在直流母线所需电压,详见下文描述:
一种宽增益三电平Boost直流变换器,包括:三电平Boost直流变换器,所述宽增益三电平Boost直流变换器还包括:与所述三电平Boost直流变换器相连接的LCD三端升压网络;
所述LCD三端升压网络由电感、极性电容和第一二极管构成。
其中,所述电感通过第一二极管进行储能和释能;所述极性电容通过第一二极管进行储能。
所述宽增益三电平Boost直流变换器还包括:燃料电池、第二二极管;
所述燃料电池的正极性端连接所述第二二极管的阳极,所述第二二极管的阴极连接电感的一端,所述电感的另一端分别连接第一二极管的阳极、极性电容的负极性端,所述第一二极管的阴极和极性电容的正极性端接所述三电平Boost直流变换器。
其中,所述宽增益三电平Boost变换器输出电压增益M为
其中,Uin、U0分别为输入、输出电压,m为调制度。
其中,所述三电平Boost直流变换器包括:第二极性电容,第二极性电容的电压为输出电压的m倍,第一极性电容的电压比第二极性电容的电压低。
本发明提供的技术方案的有益效果是:本发明通过将三端升压网络与传统的三电平Boost直流变换器的三端级联构成了新型宽增益三电平Boost直流变换器拓扑,该结构不仅保留了传统三电平Boost直流变换器功率开关电压应力低的优点,而且拓宽了电压增益。调制度在趋向于0.25时,增益不断增大,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。因此,非常适用于燃料电池电动汽车的升压应用场合。
附图说明
图1为本发明构建的LCD三端升压网络的电路示意图;
图2为传统三电平Boost直流变换器的电路示意图;
图3为本发明提供的新型宽增益三电平Boost直流变换器的电路示意图;
图4为本发明提供的拓扑的调制策略。
附图中,各标号所代表的部件列表如下:
Uin为燃料电池输出电压,即为变换器的输入电压;
Db为燃料电池电流方向阻断二极管;
L1、L2分别为第一、第二储能电感;D1、D3、D4分别为续流二极管;
C1、C2分别为第一、第二极性电容(储能电容);
Q1、Q2分别为变换器的功率开关;C3、C4分别为变换器的输出电容;
Cr1、Cr2分别为相移载波,m为调制度,T为载波周期,d1、d2分别为功率开关Q1、Q2的占空比,S1S2为功率开关Q1、Q2的开关状态;
(1)为LCD三端升压网络;(2)为三电平Boost直流变换器。
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。
实施例1
一种宽增益三电平Boost直流变换器,该宽增益三电平Boost直流变换器包括:LCD三端升压网络与三电平Boost直流变换器。
参见图1,该LCD三端升压网络由第一电感L1、第一极性电容C1和第一二极管D1构成。第一电感L1通过第一二极管D1进行储能和释能;第一极性电容C1通过第一二极管D1进行储能。
参见图2,为传统的三电平Boost直流变换器,由第二电感L2、第二极性电容C2、2个二极管(D3和D4)、2个电容(C3和C4)和2个功率开关(Q1和Q2)组成。该电路的具体结构为本领域技术人员所公知,本发明实施例对具体的电路连接关系不再赘述。
参见图3,该宽增益三电平Boost直流变换器拓扑包括:燃料电池Uin、第二二极管Db、LCD三端升压网络和三电平Boost直流变换器,燃料电池Uin的正极性端连接第二二极管Db的阳极,第二二极管Db的阴极连接LCD三端升压网络(即连接LCD三端升压网络中的第一电感L1的一端,第一电感L1的一端作为输入端1,第一电感L1的另一端分别连接第一二极管D1的阳极、第一极性电容C1的负极性端,第一二极管D1的阴极和第一极性电容C1的正极性端接三电平Boost直流变换器);LCD三端升压网络连接三电平Boost直流变换器(第一二极管D1的阴极分别连接第二电感L2的一端、第二极性电容C2的正极性端,第二极性电容C1的正极性端连接第二电感L2的另一端,后续的电路连接为三电平Boost直流变换器的内部连接,为本领域技术人员所公知,本发明实施例对此不做赘述),燃料电池Uin的负极性端连接三电平Boost直流变换器(燃料电池Uin的负极性端连接第二极性电容C2的负极性端,其余负极性端的连接为本领域技术人员所公知,本发明实施例对此不做赘述)。
即,三电平Boost直流变换器的输入端1、3(第二极性电容C2的正极性端与第二电感L2的一端相连接作为输入端1,第二电感L2的另一端作为输入端3)分别与图1的LCD三端升压网络的2、3端(第一二极管D1的阴极作为输入端2,第一极性电容C1的正极性端作为输入端3)相级联,燃料电池Uin、第二二极管Db(即单向阻断二极管)分别与图1的LCD三端升压网络的端子1(第一电感L1的一端作为输入端1)和图2的传统三电平Boost直流变换器的输入端2(第二极性电容C2的负极性端)相并联,从而构成如图3所示的宽增益三电平Boost直流变换器拓扑。且L1=L2、uL1=uL2,C3=C4、UC3=UC4=Uo/2(uL1、uL2为第一电感L1、第二电感L2的电压;UC3、UC4为电容C3、C4的电压)。
图4为新型拓扑的PWM调制策略,详见下文描述:
一、电压增益
在宽增益三电平Boost变换器连续电流模式的稳态时,所有电容电压假定其容量足够大,则电容电压均恒定、电容电流为零。当拓扑的开关状态S1S2=01或10(S1S2为功率开关Q1、Q2的开关状态)时,第一电感L1、第二电感L2均释放能量,流过第一电感L1、第二电感L2的电流相等,因此,该开关状态下释放能量的电感电压相等,即uL1_dis=uL2_dis,第一极性电容C1、第二极性电容C2均存储能量。由三个电压闭合回路(S1S2=01):Uin-Db-L1-D1-L2-D3-C3-Q2-Uin和L2-C1-D1-L2和Uin-Db-L1-D1C2-Uin,再由基尔霍夫第一定律得
式中uL1_dis、uL2_dis分别为第一电感L1、第二电感L2释放能量时的电压,Uin、Uo分别为输入输出电压,UC1、UC2分别为第一极性电容C1、第二极性电容C2的电压。
当拓扑的开关状态S1S2=11时,第一电感L1、第二电感L2均储存能量,流过第一电感L1、第二电感L2的电流相等,因此,该开关状态下储存能量的电感电压相等,即uL1_ch=uL2_ch,第一极性电容C1、第二极性电容C2均释放能量。由三个电压闭合回路:Uin-Db-L1-D1-L2-Q1-Q2-Uin和Uin-Db-L1-C1-Q1-Q2-Uin还有C2-L2-Q1-Q2-C2,再由基尔霍夫第一定律得
式中uL1_ch、uL2_ch分别为第一电感L1、第二电感L2均储存能量时的电压。
由式(1)得第一电感L1、第二电感L2释放能量时的电压为
因为第二极性电容C2的电压恒定,由式(1)、(2)得
Uin+uL1_dis=UC2=uL2_ch (4)
再由式(3)得
由图4的调制策略可得,开关状态S1S2=01或10时电感L1的放电时间tdis为
开关状态S1S2=11时电感L1的充电时间tch为
tch=[d1-(1-d2)]×T (7)
上式中d1、d2分别为功率开关Q1、Q2的占空比,0.25<m≤0.5为调制度,T为载波周期。
对于每个电感,其在每个载波周期内释放的能量等于储存的能量,因此由第一电感L1的伏秒平衡得
uL1_dis×tdis=uL1_ch×tch (8)
因此,由式(3)、(5)、(6)~(8)得宽增益三电平Boost变换器输出电压增益M为
二、电容电压
由式(1)、(2)得第一极性电容C1、第二极性电容C2的电压为
由式(9)、(10)得
由式(9)、(11)得第二极性电容C2的电压为输出电压的m(0.25<m≤0.5)倍,第一极性电容C1的电压比第二极性电容C2的电压低Uin。因此,第一极性电容C1、第二极性电容C2均具有较低的电压应力。
实施例2
下面以图3、4的宽增益三电平Boost直流变换器拓扑及其调制策略,对本发明的原理及最佳实施方式进行详细说明。在每个载波周期,宽增益三电平Boost直流变换器共经历三个开关状态。
(1)开关状态S1S2=01时,第一电感L1、第二电感L2均释放能量,第一极性电容C1、第二极性电容C2均存储能量,宽增益三电平Boost直流变换器存在三个电压闭合回路:
闭合回路1-a,即Uin-Db-L1-D1-L2-D3-C3-Q2-Uin,此时电源Uin和第一电感L1、第二电感L2对电容C3充电,并对负载(逆变器直流母线侧)供能,此时C4放电;
闭合回路1-b,即L2-C1-D1-L2,此时第二电感L2通过第一二极管D1对第一极性电容C1进行充电;
闭合回路1-c,即Uin-Db-L1-D1C2-Uin,此时电源Uin和第一电感L1通过第二二极管Db和第一二极管D1对第二极性电容C2进行充电。该开关状态经历的总时间t01=(1-d1)T。
(2)开关状态S1S2=10时,第一电感L1、第二电感L2均释放能量,第一极性电容C1、第二极性电容C2均存储能量,宽增益三电平Boost直流变换器存在三个电压闭合回路:
闭合回路2-a,即Uin-Db-L1-D1-L2-Q1-C4-D4-Uin,此时,电源Uin和第一电感L1、第二电感L2对电容C4充电,并对负载(逆变器直流母线侧)供能,此时C3放电;
闭合回路2-b,即L2-C1-D1-L2,此时第二电感L2通过第一二极管D1对第一极性电容C1进行充电;
闭合回路2-c,即Uin-Db-L1-D1C2-Uin,此时电源Uin和第二电感L1通过第二二极管Db和第一二极管D1对第二极性电容C2进行充电。该开关状态经历的总时间t10=(1-d2)T。
(3)开关状态S1S2=11时,第一电感L1、第二电感L2均存储能量,第一极性电容C1、第二极性电容C2均释放能量,宽增益三电平Boost直流变换器存在三个电压闭合回路:
闭合回路3-a,即Uin-Db-L1-D1-L2-Q1-Q2-Uin,此时电源Uin对第一电感L1、第二电感L2储存能量;
闭合回路3-b,即Uin-Db-L1-C1-Q1-Q2-Uin,此时电源Uin和第一极性电容C1对第一电感L1储存能量;
闭合回路3-c,即C2-L2-Q1-Q2-C2,此时第二极性电容C2对第二电感L2储存能量。该开关状态经历的总时间t11=[d1-(1-d2)]T。
综上所述三种开关状态,S1S2=11时,Uin为第一电感L1、第二电感L2储存能量、Uin和第一极性电容C1为第一电感L1储存能量、第二极性电容C2为第二电感L2储存能量;S1S2=01或10时,第二电感L2为第一极性电容C1存储能量、Uin和第一电感L1为第二极性电容C2存储能量,同时Uin和第一电感L1、第二电感L2剩下的能量为输出侧提供。因此,通过电源、电感、电容的能量按上述方式分时复用传递,达到提高输出电压增益的目的,非常适用于燃料电池电动汽车的升压场合。
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 (2)
1.一种宽增益三电平Boost直流变换器,包括:三电平Boost直流变换器,其特征在于,所述宽增益三电平Boost直流变换器还包括:与所述三电平Boost直流变换器相连接的LCD三端升压网络;
所述LCD三端升压网络由第一电感L1、第一极性电容C1和第一二极管D1构成;
所述宽增益三电平Boost直流变换器还包括:燃料电池、第二二极管Db;
所述燃料电池的正极性端连接所述第二二极管Db的阳极,所述第二二极管Db的阴极连接第一电感L1的一端,所述第一电感L1的另一端分别连接第一二极管D1的阳极、第一极性电容C1的负极性端,所述第一二极管D1的阴极和第一极性电容C1的正极性端接所述三电平Boost直流变换器;
所述三电平Boost直流变换器还包括:第二极性电容C2,
第二极性电容的电压为输出电压的m倍,第一极性电容C1的电压比第二极性电容C2的电压低;
所述宽增益三电平Boost变换器输出电压增益M为
其中,Uin、U0分别为输入、输出电压,m为调制度;
(1)开关状态S1S2=01时,第一电感L1、第二电感L2均释放能量,第一极性电容C1、第二极性电容C2均存储能量,宽增益三电平Boost直流变换器存在三个电压闭合回路:
闭合回路1-a,即Uin-Db-L1-D1-L2-D3-C3-Q2-Uin,此时电源Uin和第一电感L1、第二电感L2对电容C3充电,并对负载即逆变器直流母线侧供能,此时C4放电;
闭合回路1-b,即L2-C1-D1-L2,此时第二电感L2通过第一二极管D1对第一极性电容C1进行充电;
闭合回路1-c,即Uin-Db-L1-D1— C2-Uin,此时电源Uin和第一电感L1通过第二二极管Db和第一二极管D1对第二极性电容C2进行充电;该开关状态经历的总时间t01=(1-d1)T;
上述D3、D4均为续流二极管;
(2)开关状态S1S2=10时,第一电感L1、第二电感L2均释放能量,第一极性电容C1、第二极性电容C2均存储能量,宽增益三电平Boost直流变换器存在三个电压闭合回路:
闭合回路2-a,即Uin-Db-L1-D1-L2-Q1-C4-D4-Uin,此时,电源Uin和第一电感L1、第二电感L2对电容C4充电,并对负载供能,此时C3放电;
闭合回路2-b,即L2-C1-D1-L2,此时第二电感L2通过第一二极管D1对第一极性电容C1进行充电;
闭合回路2-c,即Uin-Db-L1-D1— C2-Uin,此时电源Uin和第一电感L1通过第二二极管Db和第一二极管D1对第二极性电容C2进行充电,该开关状态经历的总时间t10=(1-d2)T;
(3)开关状态S1S2=11时,第一电感L1、第二电感L2均存储能量,第一极性电容C1、第二极性电容C2均释放能量,宽增益三电平Boost直流变换器存在三个电压闭合回路:
闭合回路3-a,即Uin-Db-L1-D1-L2-Q1-Q2-Uin,此时电源Uin对第一电感L1、第二电感L2储存能量;
闭合回路3-b,即Uin-Db-L1-C1-Q1-Q2-Uin,此时电源Uin和第一极性电容C1对第一电感L1储存能量;
闭合回路3-c,即C2-L2-Q1-Q2-C2,此时第二极性电容C2对第二电感L2储存能量。该开关状态经历的总时间t11=[d1-(1-d2)]T;
上述d1、d2分别为功率开关Q1、Q2的占空比;T为载波周期;
当功率开关Q1、Q2的开关状态S1S2=11时,变换器的输入电压Uin为第一电感L1、第二电感L2储存能量;Uin和第一极性电容C1为第一电感L1储存能量、第二极性电容C2为第二电感L2储存能量;
当S1S2=01或10时,第二电感L2为第一极性电容C1存储能量、Uin和第一电感L1为第二极性电容存储能量,同时Uin和第一电感L1、第二电感L2剩下的能量为输出侧提供;
调制度在趋向于0.25时,增益不断增大,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;通过电源、电感、电容的能量按上述方式分时复用传递,达到提高输出电压增益的目的,非常适用于燃料电池电动汽车的升压场合;不仅保留了传统三电平Boost直流变换器功率开关电压应力低的优点,而且拓宽了电压增益。
2.根据权利要求1所述的一种宽增益三电平Boost直流变换器,其特征在于,所述第一电感L1通过第一二极管D1进行储能和释能;所述第一极性电容C1通过第一二极管D1进行储能。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20181109 Termination date: 20210521 |