CN104868726B - 一种宽增益三电平Boost直流变换器 - Google Patents

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

一种宽增益三电平Boost直流变换器

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，U_in、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：

U_in为燃料电池输出电压，即为变换器的输入电压；

D_b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；

C_r1、C_r2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U_in、第二二极管D_b、LCD三端升压网络和三电平Boost直流变换器，燃料电池U_in的正极性端连接第二二极管D_b的阳极，第二二极管D_b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U_in的负极性端连接三电平Boost直流变换器(燃料电池U_in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U_in、第二二极管D_b(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、u_L1＝u_L2，C₃＝C₄、U_C3＝U_C4＝U_o/2(u_L1、u_L2为第一电感L₁、第二电感L₂的电压；U_C3、U_C4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u_{L1_dis}＝u_{L2_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)：U_in-D_b-L₁-D₁-L₂-D₃-C₃-Q₂-U_in和L₂-C₁-D₁-L₂和U_in-D_b-L₁-D₁C₂-U_in，再由基尔霍夫第一定律得

式中u_{L1_dis}、u_{L2_dis}分别为第一电感L₁、第二电感L₂释放能量时的电压，U_in、U_o分别为输入输出电压，U_C1、U_C2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u_{L1_ch}＝u_{L2_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：U_in-D_b-L₁-D₁-L₂-Q₁-Q₂-U_in和U_in-D_b-L₁-C₁-Q₁-Q₂-U_in还有C₂-L₂-Q₁-Q₂-C₂，再由基尔霍夫第一定律得

式中u_{L1_ch}、u_{L2_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

U_in+u_{L1_dis}＝U_C2＝u_{L2_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t_dis为

开关状态S₁S₂＝11时电感L₁的充电时间t_ch为

t_ch＝[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

u_{L1_dis}×t_dis＝u_{L1_ch}×t_ch (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U_in。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U_in-D_b-L₁-D₁-L₂-D₃-C₃-Q₂-U_in，此时电源U_in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U_in-D_b-L₁-D₁C₂-U_in，此时电源U_in和第一电感L₁通过第二二极管D_b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U_in-D_b-L₁-D₁-L₂-Q₁-C₄-D₄-U_in，此时，电源U_in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U_in-D_b-L₁-D₁C₂-U_in，此时电源U_in和第二电感L₁通过第二二极管D_b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U_in-D_b-L₁-D₁-L₂-Q₁-Q₂-U_in，此时电源U_in对第一电感L₁、第二电感L₂储存能量；

闭合回路3-b，即U_in-D_b-L₁-C₁-Q₁-Q₂-U_in，此时电源U_in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，U_in为第一电感L₁、第二电感L₂储存能量、U_in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、U_in和第一电感L₁为第二极性电容C₂存储能量，同时U_in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D_b；

所述燃料电池的正极性端连接所述第二二极管D_b的阳极，所述第二二极管D_b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，U_in、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U_in-D_b-L₁-D₁-L₂-D₃-C₃-Q₂-U_in，此时电源U_in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U_in-D_b-L₁-D_1— C₂-U_in，此时电源U_in和第一电感L₁通过第二二极管D_b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U_in-D_b-L₁-D₁-L₂-Q₁-C₄-D₄-U_in，此时，电源U_in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U_in-D_b-L₁-D_1— C₂-U_in，此时电源U_in和第一电感L₁通过第二二极管D_b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U_in-D_b-L₁-D₁-L₂-Q₁-Q₂-U_in，此时电源U_in对第一电感L₁、第二电感L₂储存能量；

闭合回路3-b，即U_in-D_b-L₁-C₁-Q₁-Q₂-U_in，此时电源U_in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U_in为第一电感L₁、第二电感L₂储存能量；U_in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、U_in和第一电感L₁为第二极性电容存储能量，同时U_in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。