一种高升压比级联电桥型阻抗网络DC/DC变换器及控制方法与流程

本申请涉及燃料电池发电系统领域，尤其涉及一种级联型dc/dc变换器及控制方法。

背景技术：

近年来，由于环境污染和能源安全方面的考虑，电动汽车的研发得到了迅猛的发展。电动汽车包括纯电动汽车、混合动力车和燃料电池电动汽车三大类。燃料电池电动汽车被认为是二十一世纪电动汽车的最终发展方向，目前国内外企业界兴起了燃料电池电动汽车的研发热潮，dc/dc变换器是燃料电池电动汽车一项关键技术。

现有技术燃料电池一般采用低压大电流系统，因此对燃料电池dc/dc变换器要求极高的升压比(大于10倍以上)，并且需要满足在整个运行工况内维持高的变换效率、以提高燃料电池车辆的能源利用效率。

现有的燃料电池dc/dc变换器包括隔离式或非隔离式两种，非隔离式dc/dc变换器效率高、但升压比有效；隔离式dc/dc变换器可以提高升压比，但在整个运行工况内难以保证高的运行效率。因此大功率、高效、高升压比的燃料电池dc/dc变换器，具有良好的发展和应用前景。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请提供一种高升压比级联电桥型阻抗网络dc/dc变换器及控制方法，解决现有燃料电池升压比较低的问题。

本申请实施例提供一种高升压比级联电桥型阻抗网络dc/dc变换器(简称“级联型dc/dc变换器”)，包括电源v1、电源v2和n个功率变换单元；电源v1的正极和负极，对应连接第1个功率变换单元输入端的正极和负极；所述n个功率变换单元首尾串联连接，第2个功率变换单元输入端的正极和负极，对应连接第1个功率变换单元输出端的正极和负极；依次类推，第n个功率变换单元输入端的正极和负极，分别与第n-1个功率变换单元输出端的正极和负极连接；电源v2的正极和负极，对应连接第n个功率变换单元输出端的正极和负极。

优选地，所述功率变换单元，包括电桥型阻抗网络电路、半桥结构功率器件单元和直流电容；所述电桥型阻抗网络电路，包括第一电感、第一电容、第二电感、第二电容和双向开关，所述第一电感、第一电容、第二电感、第二电容顺序首尾串联连接，形成四个连接点，分别为a1、pa1、b1和pb1；所述双向开关，对角连接于a1和b1两个连接点，其余两个连接点pa1和pb1分别为所述阻抗网络电路的输入节点和输出节点；所述双向开关包括第一开关和第二开关，所述第一开关和第二开关均为电力电子功率开关；所述半桥结构功率器件单元的中点与所述电桥型阻抗网络电路的输出节点pb1连接，半桥结构功率器件单元正极与直流电容正极连接,负极与直流电容负极连接；所述功率变换单元的输入端正极为所述pa1连接点，输入端负极为所述直流电容负极，输出端正极和负极为所述直流电容的正极和负极。

本申请实施例还提供一种高升压比级联电桥型阻抗网络dc/dc变换器的控制方法，通过导通、关断和动作所述第一开关或第二开关，控制电路的拓扑结构，实现dc/dc变换器的不同工作模式；关断所述n个功率变换单元所有的第一开关和第二开关，dc/dc变换器运行在串联谐振变换器工作状态；导通所述n个功率变换单元所有的第一开关和第二开关,所述dc/dc变换器运行在并联谐振变换器工作状态；动作所述n个功率变换单元所有的第一开关和第二开关，所述dc/dc变换器运行在双向功率流升压或降压型变换器工作状态；动作所述n个功率变换单元所有的第一开关且关断所有的第二开关，或者关断所述n个功率变换单元所有的第一开关且动作所有的第二开关，所述dc/dc变换器运行在单向功率流升压或降压型变换器工作状态。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：组合结构电桥型阻抗网络dc/dc变换器同时具备升压倍数高，以及整个运行工况内维持高效率的特点，其升压倍数为电桥型阻抗网络功率变换单元升压倍数与隔离型全桥dc/dc变换器升压倍数的乘积；运行灵活，可以通过双向开关的动作使功率变换器运行在4种工作状态，能够运行在串联或并联谐振状态，实现软开关运行，提高系统变换效率；能够实现电源v1与电源v2间的功率双向流动。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为燃料电池电动汽车动力系统原理图；

图2为本申请实施例提供的一种级联型dc/dc变换器结构示意图；

图3为电桥型阻抗网络电路原理图；

图4为一种功率变换单元结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

燃料电池车动力系统配置如图1所示，系统由燃料电池发动机(fce)、dc/dc变换器、动力蓄电池(battery)、逆变器(inverter)和交流电机(acmotor)构成。

燃料电池电压低且负载电流变化时输出电压发生较大变化，与电机逆变器输入电压不匹配，因此燃料电池发动机需要通过dc/dc变换器升压并稳压，再与动力蓄电池并联后共同给逆变器供电，从而带动电机运转。现有技术燃料电池一般采用低压大电流系统，因此对燃料电池dc/dc变换器要求极高的升压比(大于10倍以上)，并且需要满足在整个运行工况内维持高的变换效率、以提高燃料电池车辆的能源利用效率。

图2为本申请实施例提供的一种级联型dc/dc变换器结构示意图。包括电源v1、电源v2和n个功率变换单元。

所述功率变换单元是指调节电压电流大小的直流变换器，尤其在较大功率条件下使用。

电源v1的正极和负极，对应连接第1个功率变换单元输入端的正极和负极；所述n个功率变换单元首尾串联连接，第2个功率变换单元输入端的正极和负极，对应连接第1个功率变换单元输出端的正极和负极；依次类推，第n个功率变换单元输入端的正极和负极，分别与第n-1个功率变换单元输出端的正极和负极连接；电源v2的正极和负极，对应连接第n个功率变换单元输出端的正极和负极。

所述电源v1的正极连接于电桥型阻抗网络功率变换单元sm1输入端的正极ip1，电源v1的负极连接于电桥型阻抗网络功率变换单元sm1输入端的负极in1；第2个电桥型阻抗网络功率变换单元sm2的输入端正极ip2与前面的第1个电桥型阻抗网络功率变换单元sm1的输出端正极op1连接，第2个电桥型阻抗网络功率变换单元sm2的输入端负极in2与前面的第1个电桥型阻抗网络功率变换单元sm1的输出端负极on1连接；依次类推，第n个电桥型阻抗网络功率变换单元smn的输入端正负极分别与第n-1个电桥型阻抗网络功率变换单元smn-1的输出端正负极连接；电源2的正极连接于最后第n级电桥型阻抗网络功率变换单元smn输出端的正极opn，电源2的负极连接于最后第n级电桥型阻抗网络功率变换单元smn输出端的负极onn。

当所述n个功率变换单元所有的第一开关和第二开关均关断，所述dc/dc变换器运行在串联谐振变换器工作状态；当所述n个功率变换单元所有的第一开关和第二开关均导通，所述dc/dc变换器运行在并联谐振变换器工作状态；当所述n个功率变换单元所有的第一开关和第二开关均动作，所述dc/dc变换器运行在双向功率流升压或降压型变换器工作状态；当所述n个功率变换单元所有的第一开关动作且所有的第二开关关断，或者当所述n个功率变换单元所有的第一开关关断且所有的第二开关动作，所述dc/dc变换器运行在单向功率流升压或降压型变换器工作状态。

开关动作，是指在pwm波控制下，所述双向开关周期性关断和闭合。

级联型dc/dc变换器，根据双向开关smb1的不同状态有以下4种工作模式：

工作模式1：串联谐振dc/dc变换器工作状态。当所述n个功率变换单元所有双向开关smbn中的第一开关san关断，且双向开关的第二开关sbn关断，电桥型阻抗网络电路的两个连接点an、bn断开，电桥型阻抗网络电路中第一电感lan与第二电容cbn串联，第二电感lbn与第一电容can串联，上述两路串联支路再通过电桥型阻抗网络电路的输入节点pa1和输出节pb1点并联连接。电桥型阻抗网络实现串联谐振，母线电压或电流可以谐振过零，级联型dc/dc变换器运行在串联谐振变换器工作状态。

工作模式2：并联谐振dc/dc变换器工作状态。当所述n个功率变换单元所有双向开关smbn中的第一开关san导通，且双向开关的第二开关sbn导通，电桥型阻抗网络电路的两个连接点a1、b1重合，电桥型阻抗网络电路中第一电感lan与第一电容can并联，第二电感lbn与第二电容cbn并联，上述两路并联支路再依次串联连接于输入节点pa1和输出节点pb1。电桥型阻抗网络电路实现并联谐振，母线电压或电流可以谐振过零，级联型dc/dc变换器运行在并联谐振变换器工作状态。

工作模式3：双向功率流升压或降压型dc/dc变换器工作状态。当所述n个功率变换单元所有双向开关smbn的第一开关san开关动作，且双向开关的第二开关sbn开关动作,电桥型阻抗网络电路的两个连接点a1、b1随着所述的双向开关的动作间歇闭合或断开，由于所述双向开关的两个开关均开关导通，电流可以双向流动。电流从电源v1向电源v2流动为升压状态，电流从电源v2向电源v1流动为降压状态，所述级联型dc/dc变换器运行在双向功率流升压或降压型变换器工作状态。

工作模式4：单向功率流升压或降压型dc/dc变换器工作状态。当所述n个功率变换单元所有双向开关smbn的第一开关san开关动作，且所有的第二开关sbn关断、或者所述n个功率变换单元所有双向开关smbn的第一开关san关断，且所有的第二开关sbn开关动作,电桥型阻抗网络的a1、b1两个连接点随着双向开关的动作间歇闭合或断开，由于所述双向开关中仅一个开关导通，电流只能单向流动。电流从电源v1向电源v2流动为升压状态，电流从电源v2向电源v1流动为降压状态，级联型变换器运行在单向功率流升压或降压型变换器工作状态。

图3为电桥型阻抗网络电路原理图。包括第一电感la1、第一电容ca1、第二电感lb1和第二电容cb1和双向开关smb1，所述第一电感la1、第一电容ca1、第二电感lb1和第二电容cb1顺序首尾串联连接，形成四个连接点，分别为a1、pa1、b1和pb1；所述双向开关，对角连接于a1和b1两个连接点，其余两个连接点pa1和pb1分别为所述阻抗网络电路的输入节点和输出节点；所述双向开关smb1包括第一开关sa1和第二开关sb1，所述第一开关sa1和第二开关sb1均为电力电子功率开关。

所述的电桥型阻抗网络电路由第一电感la1、第一电容ca1、第二电感lb1和第二电容cb1顺序首尾串联连接形成阻抗网络，该网络有四个连接点：a1、pa1、b1、pb1，其中a1点位于第一电感la1和第一电容ca1之间，pa1位于第一电感la1和第二电容cb1之间，b1位于第二电感lb1和第二电容cb1之间，pb1位于第一电容ca1和第二电感lb1之间。双向开关smb1对角连接于所述的阻抗网络的两个连接点a1和b1，构成电桥型阻抗网络电路。所述电桥型阻抗网络电路的另外两个连接点中，pa1为输入节点，pb1为输出节点。

优选地，所述电力电子功率开关，为igbt功率开关或mosfet功率开关。也可以选择其他功率开关，只要能形成双向开关即可。

图4为一种功率变换单元结构示意图。包括电桥型阻抗网络电路sma1、半桥结构功率器件单元smc1和直流电容co1；所述电桥型阻抗网络电路，如图3所示，包括第一电感la1、第一电容ca1、第二电感lb1和第二电容cb1和双向开关smb1，所述第一电感la1、第一电容ca1、第二电感lb1和第二电容cb1顺序首尾串联连接，形成四个连接点(a1、pa1、b1、pb1)；所述双向开关，对角连接于a1和b1两个连接点，其余两个连接点pa1和pb1分别为所述阻抗网络电路的输入节点和输出节点；所述双向开关smb1包括第一开关sa1和第二开关sb1，所述第一开关sa1和第二开关sb1均为电力电子功率开关；所述半桥结构功率器件单元smc1的中点与所述电桥型阻抗网络电路sma1的输出节点pb1连接，半桥结构功率器件单元smc1正极与直流电容co1正极连接，负极与直流电容co1负极连接；所述功率变换单元的输入端正极ip1为所述pa1连接点，输入端负极in1为所述直流电容co1负极，输出端正极op1和负极on1为所述直流电容co1的正极和负极。

所述半桥结构功率器件单元smc1由2个带有反并联二极管的功率开关sa1、sb1组成半桥结构，sa1和sb1串联，其中sa1接在桥臂的正极，sb1接在桥臂的负极。所述电桥型阻抗网络功率变换单元的输入端正极ip1与电桥型阻抗网络电路sma1的输入节点pa1连接，电桥型阻抗网络电路sma1的输出节点pb1与半桥结构功率器件单元smc1的中点连接，半桥结构功率器件单元smc1的正极与直流电容co1的正极连接，半桥结构功率器件单元smc1的负极与直流电容co1的负极连接；直流电容co1的正极作为电桥型阻抗网络功率变换单元输出端的正极op1，直流电容co1的负极作为电桥型阻抗网络功率变换单元的输入端负极in1和输出端负极on1。

当所述第一开关和第二开关均关断，所述功率变换单元运行在串联谐振工作状态；当所述第一开关和第二开关均导通，所述功率变换单元运行在并联谐振工作状态；当所述第一开关和第二开关均动作，所述功率变换单元运行在双向功率流升压或降压型工作状态；当所述第一开关动作且所述第二开关关断，或者当所述第一开关关断且所述第二开关动作，所述功率变换单元运行在单向功率流升压或降压型工作状态。

开关动作，是指在pwm波控制下，所述双向开关周期性关断和闭合。

本申请实施例还提供一种级联型dc/dc变换器的控制方法，通过导通、关断和动作所述第一开关或第二开关，控制图2所示dc/dc变换器电路的拓扑结构，实现dc/dc变换器的不同工作模式；关断所述n个功率变换单元所有的第一开关和第二开关，dc/dc变换器运行在串联谐振变换器工作状态；导通所述n个功率变换单元所有的第一开关和第二开关,所述dc/dc变换器运行在并联谐振变换器工作状态；动作所述n个功率变换单元所有的第一开关和第二开关，所述dc/dc变换器运行在双向功率流升压或降压型变换器工作状态；动作所述n个功率变换单元所有的第一开关且关断所有的第二开关，或者关断所述n个功率变换单元所有的第一开关且动作所有的第二开关，所述dc/dc变换器运行在单向功率流升压或降压型变换器工作状态。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。