燃料电池用宽范围输入型准Z源开关电容升压直流变换器制造技术

本发明专利技术公开了一种燃料电池用宽范围输入型准Z源开关电容升压直流变换器，所述直流变换器基于准Z源网络与开关电容网络，所述直流变换器的电源输入端与燃料电池相连，即用电源输入端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

【技术实现步骤摘要】
燃料电池用宽范围输入型准Z源开关电容升压直流变换器
本专利技术涉及电力电子功率变换
，尤其涉及一种燃料电池用宽范围输入型准Z源开关电容升压直流变换器，属于燃料电池单向升压直流变换器应用场合。
技术介绍
随着化石燃料的大量开采和利用，引发了一系列的能源问题和环境问题。人们急切想要开发可再生清洁能源来改善环境问题，并缓解能源危机。与此同时，全球汽车数量的急剧增多，汽车行业对化石燃料(石油)的需求量不容忽视，汽车消耗大量的汽油、柴油，产生的尾气排放到大气中，造成严重的空气污染。近些年全球范围内大力支持利用清洁能源提供动力的新能源汽车的研发，新能源汽车在交通工具中所占的比例越来越大，一定程度上缓解了化石燃料短缺问题，改善了空气质量。燃料电池电动汽车是新能源汽车的重要组成部分，由于燃料电池具有能够输出大电流，运行较为安全、高效、且对空气污染小等优点，使燃料电池电动汽车在实际中得到广泛的应用。但与普通电池输出特性不同，燃料电池的输出特性较软，随着输出电流的增加，输出端电压会有明显的降落。因此燃料电池的输出端需要通过直流升压变换器，将燃料电池输出端的宽范围变化的低压升压到较高的直流母线电压。这就要求直流升压变换器具有宽增益和高增益的特点。传统的隔离型升压直流变换器容易实现较高的电压增益，然而由于变压器存在漏感，会产生很大的电压应力，增加了开关损耗和电磁干扰。为了节约成本和减小变换器的体积，提高效率，需要一种宽电压增益的非隔离式升压直流变换器，使其适用于燃料电池的电压变换场合。
技术实现思路
本专利技术提供了一种燃料电池用宽范围输入型准Z源开关电容升压直流变换器，本专利技术利用一种由电感L、电容C、二极管D构成的三端准Z源阻抗网络，并将其与一种开关电容网络串联，构成一种宽增益准Z源开关电容升压直流变换器拓扑，提高了拓扑的升压能力并降低了功率器件承受的电压应力，使其更加适用于燃料电池的电压变换场合，详见下文描述：一种燃料电池用宽范围输入型准Z源开关电容升压直流变换器，所述直流变换器基于准Z源网络与开关电容网络，所述直流变换器的电源输入端与燃料电池相连，即用电源输入端Uin与一个防止电流反向的二极管D1串联表示；前级为准Z源网络由电感L1、二极管D2、电感L2、电容C1与电容C2构成；后级为由电容C3、电容C4、电容C5、二极管D3、二极管D4、二极管D5组成开关电容网络；输出端与高压直流母线相连接；所述直流变换器的电压增益M为：其中，m为调制度也是功率开关Q的占空比，0＜m＜0.5；电压应力为：其中，UC1、UC2、UC3、UC4和UC5分别为相应电容的电压；UO为高压直流母线侧的输出电压；功率器件关断时承受的电压应力均为UO/2。所述直流变换器中所有器件承受的电压值最大为输出电压的一半，电压应力较低。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：在保留原有的准Z源升压直流变换器的输入电流连续、输入与输出共地的优点前提下，实现了占空比为0～0.5范围内的电压宽增益。而且该拓扑中所有器件的电压应力较低，最大为UO/2。因此，该变换器适用于燃料电池的电压变换场合。附图说明图1为准Z源三端阻抗网络；图2为开关电容网络；图3为新型宽增益准Z源开关电容升压直流变换器拓扑；图4为开关导通时等效回路图；图5为开关关断时等效回路图；图6为新拓扑稳定运行时的重要工作波形。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。实施例1一、拓扑结构本专利技术基于准Z源网络与开关电容网络，提出如图3所示的准Z源开关电容宽增益升压直流变换器。该直流变换器电源输入端与燃料电池(用Uin与一个防止电流反向的二极管D1串联表示)相连；前级为准Z源网络如图1所示，由L1-D2-L2-C1-C2构成；后级为由电容C3、C4、C5和二极管D3、D4、D5组成开关电容网络，如图2所示；输出端与高压直流母线相连接。二、宽电压增益根据功率开关Q的开关状态，本专利技术所提拓扑的工作状态有两个：S＝1和S＝0(设功率开关管的开关周期为T，一个周期内的开通时间为mT)。若忽略所有二极管的正向导通压降和开关管的导通内阻，及其他器件的寄生参数，同时假设拓扑中的电容的容值和电感的感值足够大(即电路达到稳态时，电容两端的电压和电感流过的电流近似为恒定)。根据图4、5的拓扑等效回路图和图6所示的拓扑工作的主要波形图。在S＝1时，电感L1、L2和电容C3均储存能量，电容C1、C2、C4和C5均释放能量。在S＝1的状态有四个电压闭合回路：Uin-D1-L1-C2-Q-Uin、L2-Q-C1-L2、C5-D4-C3-Q-C5和C5-C4-UO-C5。由基尔霍夫第一定律得：式中，UL1on、UL2on分别为电感L1、L2储存能量时的电压值，Uin、Uo分别为输入、输出电压，UC1、UC2、UC3、UC4和UC5分别为电容C1、C2、C3、C4和C5的电压。在S＝0时，电感L1、L2和电容C3均释放能量，电容C1、C2、C4和C5均储存能量。在S＝0的状态有五个电压闭合回路：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。由基尔霍夫第一定律得：式中，UL1off、UL2off分别为电感L1、L2释放能量时的电压。根据伏秒平衡，电感在一个开关周期内储存和释放电量是相等的，分别对电感L1、L2列写方程：将式(1)和(2)带入式(3)中得根据式(4)可得，变换器的电压增益M为其中，m为调制度也是功率开关Q的占空比，0＜m＜0.5。三、低电压应力根据式(4)和(5)可得拓扑中电容的电压应力为：同时可以推导出，拓扑中的功率器件关断时承受的电压应力均为UO/2。通过以上分析可得，本专利技术的拓扑中所有器件承受的电压值最大为输出电压的一半，电压应力较低。实施例2下面以图3所示的新型宽增益准Z源开关电容升压直流变换器拓扑，图4、5的拓扑等效回路图以及图6的新拓扑稳定运行时的重要工作波形，对本实施例1中方案的原理进行说明。在一个载波周期，变换器共经历两个开关状态。下面分别对两个开关状态进行说明。(1)开关导通时(S＝1)，该状态的等效电路如图4所示。根据图6的拓扑工作波形，功率开关管导通时，二极管D2、D3、D5关断。输入电源电压Uin与电容C2串联，通过二极管D1和功率开关Q给电感L1充电；电容C1通过功率开关Q给电感L2充电；电容C5，通过二极管D4给电容C3充电，同时与电容C4串联，维持高压直流母线电压。(2)开关关断时(S＝0)，该状态的等效电路图如图5所示。根据图6的工作波形，功率开关管关断时，二极管D4关断。电源与电感L1串联，通过二极管D1与D2给电容C1充电；电感L2放电，通过二极管D2给电容C2充电；电源Uin与电感L1和L2串联，通过二极管D1、D2和D3给电容C5充电；电源Uin与电感L1、L2和电容C3串联放电，为电容C4和C5充电，同时为高压直流母线供电。综合上述两种开关状态，S＝1时，输入电源电压Uin和电容C2为电感L1储存能量、电容C1为电感L2储存能量；S＝0时，电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池用宽范围输入型准Z源开关电容升压直流变换器，其特征在于，所述直流变换器基于准Z源网络与开关电容网络，所述直流变换器的电源输入端与燃料电池相连，即用电源输入端U

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池用宽范围输入型准Z源开关电容升压直流变换器，其特征在于，所述直流变换器基于准Z源网络与开关电容网络，所述直流变换器的电源输入端与燃料电池相连，即用电源输入端Uin与一个防止电流反向的二极管D1串联表示；前级为准Z源网络由电感L1、二极管D2、电感L2、电容C1与电容C2构成；后级为由电容C3、电容C4、电容C5、二极管D3、二极管D4、二极管D5组成开关电容网络；输出端与高压直流母线相连接；所述直流变换器的电压增益M为：

【专利技术属性】
技术研发人员：王萍，傅传智，张云，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12