CN112467974A - 一种燃料电池用高增益低应力dc/dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池用高增益低应力DC/DC变换器，包括燃料电池、准Z源电路、开关电容电路和负载,准Z源电路包括第一储能电感、第二储能电感、第一储能电容、第二储能电容、二极管、功率开关管，开关电容电路包括第一开关电容、第二开关电容、第三开关电容、第一开关二极管、第二开关二极管、第三开关二极管。本发明通过准Z源电路的作用，在占空比较小的情况下可获得电压高增益，有效避免出现极端占空比的问题，同时通过开关电容电路的作用，实现器件低电压应力。

Description

一种燃料电池用高增益低应力DC/DC变换器
技术领域
本发明涉及变换器领域，特别是涉及一种燃料电池用高增益低应力DC/DC变换器。
背景技术
随着交通工具数量的日益增长，大量化石燃料的使用导致了严重的能源短缺和环境污染问题，大力发展新能源汽车成为了目前迫切的要求。燃料电池汽车由于其清洁，高效的特点备受汽车行业青睐，然而发展燃料电池汽车存在着诸多问题，比如燃料电池的输出特性软，随着输出电流的增大，输出电压迅速下降，无法直接用于汽车供电。因此，研发一种具有高增益的DC/DC变换器成为了发展燃料电池汽车的重中之重。传统的Boost电路很难获得高电压增益，无法满足燃料电池汽车的需求，并且在高增益的时候，开关管会出现极端占空比的问题，使得开关管的导通时间过长，对开关管造成损害。
现有的一些非隔离式高增益DC/DC变换器中，存在着开关管、电容等器件的电压应力过大、输入端和输出端不共地的问题，一方面为变换器器件选型带来困难，另一方面输入端和输出端不共地的结构会在输入和输出间产生高频的脉动电压，降低了变换器工作的可靠性。而现有的隔离式DC/DC变换器能够通过耦合电感获得很高的电压增益，但隔离式的结构使得变换器的体积增大，不适用于燃料电池汽车的使用，不能满足人们的日常需求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种燃料电池用高增益低应力DC/DC变换器，具有高增益、低应力、控制简单、输入端和输出端共地等优点。
一种燃料电池用高增益低应力DC/DC变换器，包括燃料电池Uin、二极管D1、准Z源电路、开关电容电路和负载RL，所述准Z源电路包括第一储能电感L1、第二储能电感L2、第一储能电容C1、第二储能电容C2、二极管D2、和功率开关管Q；所述开关电容电路包括三个储能电容、三个二极管交错组成；所述第一储能电感L1的两端分别与燃料电池正极、第二储能电容C2负极和二极管D2阳极进行连接，第一储能电容C1的两端分别与第二储能电感L2正极和二极管D2阴极进行连接，功率开关管Q的源极与燃料电池负极进行连接，第一开关电容C3的正极和第二开关二极管D4的阴极连接、第二开关电容C4的正极和第三开关二极管D5的阴极连接、第三开关电容C5的正极和第一开关二极管D3的阴极连接；即开关电容网络由C3-D4、C4-D5、C5-D3组成。
进一步地，所述开关电容电路包括第一开关电容C3、第二开关电容C4、第三开关电容C5、第一开关二极管D3、第二开关二极管D4和第三开关二极管D5，第一开关电容C3的正极和第二开关二极管D4的阴极连接、第二开关电容C4的正极和第三开关二极管D5的阴极连接、第三开关电容C5的正极和第一开关二极管D3的阴极连接，从而组成交错结构。通过开关电容网络的增压功能可以改善升压转换器的电压增益。
进一步地，所述变换器实现了输入与输出之间的共地，绝对公共的接地避免了输入接地和输出接地之间的额外du/dt的问题。
进一步地，所述第一工作模态下，燃料电池通过串联第二储能电容C2和功率开关管Q为第一储能电感L1充电，同时燃料电池通过串联第一储能电容C1和功率开关管Q为第二储能电感L2充电，第三开关电容C5通过第二开关二极管D4和功率开关管Q给第一开关电容C3充电
进一步地，所述第二工作模态下，第一储能电感L1通过二极管D2给第一储能电容C1充电，第二储能电感L2通过二极管D2给第二储能电容C2充电。第一储能电感L1和第二储能电感L2串联通过二极管D2和第三开关二极管D5给负载供电。同时第一储能电感L1和第二储能电感L2串联通过第一开关二极管D3给第三开关电容C5充电。
进一步地，所述变换器的电压增益M为：
Figure BDA0002783755520000021
式中，d为功率开关管Q的占空比。
进一步地，所述功率开关管Q1的电压应力为,,所述第一储能电容C1的电压应力，所述第二储能电容C2的电压应力为，所述第一开关电容C3、第二开关电容C4和第三开关电容C5的电压应力为，其中为输出电压。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
1、本申请满足了燃料电池汽车高增益的需求，在实现高增益的同时，开关管不会出现极端占空比的问题；
2、本申请的变换器电路中，功率半导体器件和电容的电压应力低，便于变换器的器件选型，提高了变换器工作的安全性；
3、本申请的变换器属于输入端和输出端共地的结构，避免了输入端和输出端之间出现高频脉动电压的问题，提高了变换器工作的可靠性；
4、本申请的变换器属于非隔离式变换器，有效的减小了变换器的体积；
附图说明
图1是本发明提出的燃料电池用高增益低应力DC/DC变换器电路示意图；
图2是本发明提出的变换器中功率开关管的调制策略图；
图3是本发明提出的变换器工作在工作模态一时的等效电路示意图；
图4是本发明提出的变换器工作在工作模态二时的等效电路示意图；
图5是本发明提出的变换器理论电压增益与传统Boost电路理论电压增益对比图；
图6是本发明提出的变换器电感电流波形图；
图7是本发明提出的变换器开关管电压应力图。
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，包括燃料电池Uin、二极管D1。准Z源电路、开关电容电路和负载RL，所述准Z源电路包括第一储能电感L1、第二储能电感L2、第一储能电容C1、第二储能电容C2、二极管D2和功率开关管Q；所述开关电容电路包括三个储能电容、三个二极管交错组成；所述第一储能电感L1的两端分别与燃料电池正极、第二储能电容C2负极和二极管D2阳极进行连接，第一储能电容C1的两端分别与第二储能电感L2正极和二极管D2阴极进行连接，功率开关管Q的源极与燃料电池负极进行连接，第一开关电容C3的正极和第二开关二极管D4的阴极连接、第二开关电容C4的正极和第三开关二极管D5的阴极连接、第三开关电容C5的正极和第一开关二极管D3的阴极连接；即开关电容网络由C3-D4、C4-D5、C5-D3组成。
所述开关电容电路包括第一开关电容C3、第二开关电容C4、第三开关电容C5、第一开关二极管D3、第二开关二极管D4和第三开关二极管D5，第一开关电容C3的正极和第二开关二极管D4的阴极连接、第二开关电容C4的正极和第三开关二极管D5的阴极连接、第三开关电容C5的正极和第一开关二极管D3的阴极连接，从而组成交错结构。通过开关电容网络的增压功能可以改善升压转换器的电压增益。
如图2所示，功率开关管Q，采用三角载波VC和调制波Vr进行调制，得到同一个PWM驱动信号Vg。
如图3所示，所述功率开关管Q包括第一工作模态和第二工作模态，所述第一工作模态下，功率开关管Q导通；所述第二工作模态下，功率开关管Q关断。
进一步地，所述第一工作模态下，燃料电池通过串联第二储能电容C2和功率开关管Q为第一储能电感L1充电，同时燃料电池通过串联第一储能电容C1和功率开关管Q为第二储能电感L2充电，第三开关电容C5通过第二开关二极管D4和功率开关管Q给第一开关电容C3充电
根据图3的等效电路，由基尔霍夫电压定律，得到公式(1)。
Figure BDA0002783755520000041
式中，Uc1、Uc2、Uc3、Uc4、Uc5、分别为第一储能电容C1、第二储能电容C2、第一开关电容C3、第二开关电容C4、第三开关电容C5的电压，UL1on和UL2on为功率开关管Q导通时，第一储能电感L1和第二储能电感L2两端的电压，为变换器输入电压，为输出电压。
如图4所示，所述第二工作模态下，第一储能电感L1通过二极管D2给第一储能电容C1充电，第二储能电感L2通过二极管D2给第二储能电容C2充电。第一储能电感L1和第二储能电感L2串联通过二极管D2和第三开关二极管D5给负载供电。同时第一储能电感L1和第二储能电感L2串联通过第一开关二极管D3给第三开关电容C5充电。
根据图4的等效电路，由基尔霍夫电压定律，得到公式(2)。
Figure BDA0002783755520000042
式中，UL1off和UL2off为功率开关管Q关断时,第一储能电感L1和第二储能电感L2两端的电压。
根据伏秒平衡原则，对第一储能电感L1和第二储能电感L2列出伏秒平衡方程，得到公式(3)。
Figure BDA0002783755520000051
联立公式(1)、公式(2)和公式(3)，得到变换器理论电压增益M如公式(4)所示，所述变换器的电压增益M为：
Figure BDA0002783755520000052
式中，d为功率开关管Q的PWM驱动信号Vg的占空比，且0<d<0.5。
图5是本发明提出的变换器理论电压增益与传统Boost电路理论电压增益对比图，从图中可以看出在所设占空比范围内，所提出的变换器电压增益式中高于传统Boost电路。
联立公式(1)、公式(2)和公式(3)三组公式，可以得到变换器中相关器件的电压应力如公式(5)所示。
Figure BDA0002783755520000053
式中，UQ为功率开关管Q两端的电压，从公式(5)中可以看出功率开关管和电容具有较低的电压应力；所述功率开关管Q的电压应力为。所述第一储能电容C1的电压应力为，所述第二储能电容C2的电压应力为，所述第一开关电容C3、第二开关电容C4和第三开关电容C5的电压应力为，其中为负载RL两端电压。
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 (7)

1.一种燃料电池用高增益低应力DC/DC变换器，其特征在于：包括燃料电池Uin、二极管D1。准Z源电路、开关电容电路和负载RL，所述准Z源电路包括第一储能电感L1、第二储能电感L2、第一储能电容C1、第二储能电容C2、二极管D2和功率开关管Q；所述开关电容电路包括三个储能电容、三个二极管交错组成；所述第一储能电感L1的两端分别与燃料电池Uin正极、第二储能电容C2负极和二极管D2阳极进行连接，第一储能电容C1的两端分别与第二储能电感L2正极和二极管D2阴极进行连接，功率开关管Q的源极与燃料电池Uin负极进行连接，第一开关电容C3的正极和第二开关二极管D4的阴极连接、第二开关电容C4的正极和第三开关二极管D5的阴极连接、第三开关电容C5的正极和第一开关二极管D3的阴极连接；即开关电容网络由C3-D4、C4-D5、C5-D3组成。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池用高增益低应力DC/DC变换器，其特征在于：所述开关电容电路包括第一开关电容C3、第二开关电容C4、第三开关电容C5、第一开关二极管D3、第二开关二极管D4和第三开关二极管D5，第一开关电容C3的正极和第二开关二极管D4的阴极连接、第二开关电容C4的正极和第三开关二极管D5的阴极连接、第三开关电容C5的正极和第一开关二极管D3的阴极连接，从而组成交错结构。通过开关电容网络的增压功能可以改善升压转换器的电压增益。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池用高增益低应力DC/DC变换器，其特征在于：所述变换器实现了输入与输出之间的共地，绝对公共的接地避免了输入接地和输出接地之间的额外du/dt的问题。
4.根据权利要求2所述的一种燃料电池用高增益低应力DC/DC变换器，其特征在于：所述第一工作模态下，燃料电池Uin通过串联第二储能电容C2和功率开关管Q为第一储能电感L1充电，同时燃料电池Uin通过串联第一储能电容C1和功率开关管Q为第二储能电感L2充电，第三开关电容C5通过第二开关二极管D4和功率开关管Q给第一开关电容C3充电。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池用高增益低应力DC/DC变换器，其特征在于：所述第二工作模态下，第一储能电感L1通过二极管D2给第一储能电容C1充电，第二储能电感L2通过二极管D2给第二储能电容C2充电。第一储能电感L1和第二储能电感L2串联通过二极管D2和第三开关二极管D5给负载供电。同时第一储能电感L1和第二储能电感L2串联通过第一开关二极管D3给第三开关电容C5充电。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池用高增益低应力DC/DC变换器，其特征在于：所述变换器的电压增益M为：
Figure FDA0002783755510000021
式中，d为功率开关管Q的占空比。
7.根据权利要求4所述的一种燃料电池用高增益低应力DC/DC变换器，其特征在于：所述功率开关管Q1的电压应力为
Figure FDA0002783755510000022
所述第一储能电容C1的电压应力
Figure FDA0002783755510000023
所述第二储能电容C2的电压应力为
Figure FDA0002783755510000024
所述第一开关电容C3、第二开关电容C4和第三开关电容C5的电压应力为
Figure FDA0002783755510000025
其中Uo为输出电压。
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