燃料電池用寬范圍輸入型準Z源開關電容升壓直流變換器制造技術

本發明專利技術公開了一種燃料電池用寬范圍輸入型準Z源開關電容升壓直流變換器，所述直流變換器基于準Z源網絡與開關電容網絡，所述直流變換器的電源輸入端與燃料電池相連，即用電源輸入端U

Wide range input type quasi Z source switched capacitor step-up DC converter for fuel cell

The invention discloses a fuel cell with wide range input type quasi Z source switched capacitor boost DC converter, the DC / DC converter quasi Z source network and switched capacitor networks based on the input end of the power supply and the fuel cell converter is connected with the input power of U

【技術實現步驟摘要】
燃料電池用寬范圍輸入型準Z源開關電容升壓直流變換器
本專利技術涉及電力電子功率變換
，尤其涉及一種燃料電池用寬范圍輸入型準Z源開關電容升壓直流變換器，屬于燃料電池單向升壓直流變換器應用場合。
技術介紹
隨著化石燃料的大量開采和利用，引發了一系列的能源問題和環境問題。人們急切想要開發可再生清潔能源來改善環境問題，并緩解能源危機。與此同時，全球汽車數量的急劇增多，汽車行業對化石燃料(石油)的需求量不容忽視，汽車消耗大量的汽油、柴油，產生的尾氣排放到大氣中，造成嚴重的空氣污染。近些年全球范圍內大力支持利用清潔能源提供動力的新能源汽車的研發，新能源汽車在交通工具中所占的比例越來越大，一定程度上緩解了化石燃料短缺問題，改善了空氣質量。燃料電池電動汽車是新能源汽車的重要組成部分，由于燃料電池具有能夠輸出大電流，運行較為安全、高效、且對空氣污染小等優點，使燃料電池電動汽車在實際中得到廣泛的應用。但與普通電池輸出特性不同，燃料電池的輸出特性較軟，隨著輸出電流的增加，輸出端電壓會有明顯的降落。因此燃料電池的輸出端需要通過直流升壓變換器，將燃料電池輸出端的寬范圍變化的低壓升壓到較高的直流母線電壓。這就要求直流升壓變換器具有寬增益和高增益的特點。傳統的隔離型升壓直流變換器容易實現較高的電壓增益，然而由于變壓器存在漏感，會產生很大的電壓應力，增加了開關損耗和電磁干擾。為了節約成本和減小變換器的體積，提高效率，需要一種寬電壓增益的非隔離式升壓直流變換器，使其適用于燃料電池的電壓變換場合。
技術實現思路
本專利技術提供了一種燃料電池用寬范圍輸入型準Z源開關電容升壓直流變換器，本專利技術利用一種由電感L、電容C、二極管D構成的三端準Z源阻抗網絡，并將其與一種開關電容網絡串聯，構成一種寬增益準Z源開關電容升壓直流變換器拓撲，提高了拓撲的升壓能力并降低了功率器件承受的電壓應力，使其更加適用于燃料電池的電壓變換場合，詳見下文描述：一種燃料電池用寬范圍輸入型準Z源開關電容升壓直流變換器，所述直流變換器基于準Z源網絡與開關電容網絡，所述直流變換器的電源輸入端與燃料電池相連，即用電源輸入端Uin與一個防止電流反向的二極管D1串聯表示；前級為準Z源網絡由電感L1、二極管D2、電感L2、電容C1與電容C2構成；后級為由電容C3、電容C4、電容C5、二極管D3、二極管D4、二極管D5組成開關電容網絡；輸出端與高壓直流母線相連接；所述直流變換器的電壓增益M為：其中，m為調制度也是功率開關Q的占空比，0＜m＜0.5；電壓應力為：其中，UC1、UC2、UC3、UC4和UC5分別為相應電容的電壓；UO為高壓直流母線側的輸出電壓；功率器件關斷時承受的電壓應力均為UO/2。所述直流變換器中所有器件承受的電壓值最大為輸出電壓的一半，電壓應力較低。本專利技術提供的技術方案的有益效果是：在保留原有的準Z源升壓直流變換器的輸入電流連續、輸入與輸出共地的優點前提下，實現了占空比為0～0.5范圍內的電壓寬增益。而且該拓撲中所有器件的電壓應力較低，最大為UO/2。因此，該變換器適用于燃料電池的電壓變換場合。附圖說明圖1為準Z源三端阻抗網絡；圖2為開關電容網絡；圖3為新型寬增益準Z源開關電容升壓直流變換器拓撲；圖4為開關導通時等效回路圖；圖5為開關關斷時等效回路圖；圖6為新拓撲穩定運行時的重要工作波形。具體實施方式為使本專利技術的目的、技術方案和優點更加清楚，下面對本專利技術實施方式作進一步地詳細描述。實施例1一、拓撲結構本專利技術基于準Z源網絡與開關電容網絡，提出如圖3所示的準Z源開關電容寬增益升壓直流變換器。該直流變換器電源輸入端與燃料電池(用Uin與一個防止電流反向的二極管D1串聯表示)相連；前級為準Z源網絡如圖1所示，由L1-D2-L2-C1-C2構成；后級為由電容C3、C4、C5和二極管D3、D4、D5組成開關電容網絡，如圖2所示；輸出端與高壓直流母線相連接。二、寬電壓增益根據功率開關Q的開關狀態，本專利技術所提拓撲的工作狀態有兩個：S＝1和S＝0(設功率開關管的開關周期為T，一個周期內的開通時間為mT)。若忽略所有二極管的正向導通壓降和開關管的導通內阻，及其他器件的寄生參數，同時假設拓撲中的電容的容值和電感的感值足夠大(即電路達到穩態時，電容兩端的電壓和電感流過的電流近似為恒定)。根據圖4、5的拓撲等效回路圖和圖6所示的拓撲工作的主要波形圖。在S＝1時，電感L1、L2和電容C3均儲存能量，電容C1、C2、C4和C5均釋放能量。在S＝1的狀態有四個電壓閉合回路：Uin-D1-L1-C2-Q-Uin、L2-Q-C1-L2、C5-D4-C3-Q-C5和C5-C4-UO-C5。由基爾霍夫第一定律得：式中，UL1on、UL2on分別為電感L1、L2儲存能量時的電壓值，Uin、Uo分別為輸入、輸出電壓，UC1、UC2、UC3、UC4和UC5分別為電容C1、C2、C3、C4和C5的電壓。在S＝0時，電感L1、L2和電容C3均釋放能量，電容C1、C2、C4和C5均儲存能量。在S＝0的狀態有五個電壓閉合回路：Uin-D1-L1-D2-L2-C3-D5-UO-Uin、Uin-D1-L1-D2-L2-C3-D5-C4-C5-Uin、L2-C2-D2-L2、Uin-D1-L1-D2-C1-Uin和Uin-D1-L1-D2-L2-D3-C5-Uin。由基爾霍夫第一定律得：式中，UL1off、UL2off分別為電感L1、L2釋放能量時的電壓。根據伏秒平衡，電感在一個開關周期內儲存和釋放電量是相等的，分別對電感L1、L2列寫方程：將式(1)和(2)帶入式(3)中得根據式(4)可得，變換器的電壓增益M為其中，m為調制度也是功率開關Q的占空比，0＜m＜0.5。三、低電壓應力根據式(4)和(5)可得拓撲中電容的電壓應力為：同時可以推導出，拓撲中的功率器件關斷時承受的電壓應力均為UO/2。通過以上分析可得，本專利技術的拓撲中所有器件承受的電壓值最大為輸出電壓的一半，電壓應力較低。實施例2下面以圖3所示的新型寬增益準Z源開關電容升壓直流變換器拓撲，圖4、5的拓撲等效回路圖以及圖6的新拓撲穩定運行時的重要工作波形，對本實施例1中方案的原理進行說明。在一個載波周期，變換器共經歷兩個開關狀態。下面分別對兩個開關狀態進行說明。(1)開關導通時(S＝1)，該狀態的等效電路如圖4所示。根據圖6的拓撲工作波形，功率開關管導通時，二極管D2、D3、D5關斷。輸入電源電壓Uin與電容C2串聯，通過二極管D1和功率開關Q給電感L1充電；電容C1通過功率開關Q給電感L2充電；電容C5，通過二極管D4給電容C3充電，同時與電容C4串聯，維持高壓直流母線電壓。(2)開關關斷時(S＝0)，該狀態的等效電路圖如圖5所示。根據圖6的工作波形，功率開關管關斷時，二極管D4關斷。電源與電感L1串聯，通過二極管D1與D2給電容C1充電；電感L2放電，通過二極管D2給電容C2充電；電源Uin與電感L1和L2串聯，通過二極管D1、D2和D3給電容C5充電；電源Uin與電感L1、L2和電容C3串聯放電，為電容C4和C5充電，同時為高壓直流母線供電。綜合上述兩種開關狀態，S＝1時，輸入電源電壓Uin和電容C2為電感L1儲存能量、電容C1為電感L2儲存能量；S＝0時，電本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種燃料電池用寬范圍輸入型準Z源開關電容升壓直流變換器，其特征在于，所述直流變換器基于準Z源網絡與開關電容網絡，所述直流變換器的電源輸入端與燃料電池相連，即用電源輸入端U

【技術特征摘要】
1.一種燃料電池用寬范圍輸入型準Z源開關電容升壓直流變換器，其特征在于，所述直流變換器基于準Z源網絡與開關電容網絡，所述直流變換器的電源輸入端與燃料電池相連，即用電源輸入端Uin與一個防止電流反向的二極管D1串聯表示；前級為準Z源網絡由電感L1、二極管D2、電感L2、電容C1與電容C2構成；后級為由電容C3、電容C4、電容C5、二極管D3、二極管D4、二極管D5組成開關電容網絡；輸出端與高壓直流母線相連接；所述直流變換器的電壓增益M為：

【專利技術屬性】
技術研發人員：王萍，傅傳智，張云，
申請(專利權)人：天津大學，
類型：發明
國別省市：天津,12