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的制作方法

本发明涉及电力电子功率变换技术领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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，本发明利用一种由电感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U_in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，U_C1、U_C2、U_C3、U_C4和U_C5分别为相应电容的电压；U_O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U_O/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。

本发明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U_O/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、拓扑结构

本发明基于准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U_in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，本发明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：U_in-D₁-L₁-C₂-Q-U_in、L₂-Q-C₁-L₂、C₅-D₄-C₃-Q-C₅和C₅-C₄-U_O-C₅。

由基尔霍夫第一定律得：

式中，U_L1on、U_L2on分别为电感L₁、L₂储存能量时的电压值，U_in、U_o分别为输入、输出电压，U_C1、U_C2、U_C3、U_C4和U_C5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：

U_in-D₁-L₁-D₂-L₂-C₃-D₅-U_O-U_in、U_in-D₁-L₁-D₂-L₂-C₃-D₅-C₄-C₅-U_in、L₂-C₂-D_2-L₂、U_in-D₁-L₁-D₂-C₁-U_in和U_in-D₁-L₁-D₂-L₂-D₃-C₅-U_in。

由基尔霍夫第一定律得：

式中，U_L1off、U_L2off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U_O/2。

通过以上分析可得，本发明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U_in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U_in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U_in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U_in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，电感L₂为电容C₂存储能量、输入电源电压U_in和电感L₁为电容C₁存储能量，同时输入电源电压U_in和电容C₃以及电感L₁、电感L₂剩余的能量为输出侧提供电压。

因此，燃料电池、电感、电容的能量按上述方式传递到输出侧高压直流母线，可以实现电压水平的极大提高，以及器件电压应力的减小。该新型拓扑拓宽了升压变换器的电压增益，非常适用于燃料电池单向升压场合。

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。