一种适用于燃料电池汽车的可变结构DCDC变换拓扑

一种适用于燃料电池汽车的可变结构dcdc变换拓扑
技术领域
1.本发明涉及一种宽范围输入电压低输入电流纹波dcdc变换拓扑，可用于电力电子设备领域。


背景技术：

2.燃料电池汽车具有加氢时间短、转换效率高、可行驶里程长、无污染的优点，具有广阔的发展前景。但是燃料电池的输出电压通常较低，并随着输出电流的增加而降低，整体输出特性偏软，所以需要dcdc变换器进行输出电压调节，而且dcdc变换器可以在提高效率，降低成本和尺寸方面为燃料电池汽车提供有效的解决方案，因此，选择合适的dc-dc转换器是设计高效、低成本、大功率燃料电池汽车动力总成的关键。
3.燃料电池输出电压通常很低，因此需要高电压增益的dcdc变换拓扑，近年来随着燃料电池输出电压范围和输出功率的进一步提升，当高压直流母线电压在燃料电池的输出电压范围内时，则需要宽范围的升降压拓扑。燃料电池dcdc的另一个问题是转换器或负载在燃料电池中产生的电流纹波会影响燃料电池的使用寿命和输出功率，因此低输入电流纹波也是燃料电池dcdc需要满足的特性之一。
4.传统buck-boost变换器虽然可以实现升降压，但是输入电流纹波较大，对于燃料电池使用寿命不友好；edr升压变换器虽然具有高电压增益，能显著降低开关电压应力和开关损耗，但是该拓扑无法实现降压功能，且只能在特定占空比区域实现相间均流；多相并联双有源桥式变换拓扑虽然可以实现低电流纹波和宽范围电压输入，但是该拓扑使用器件过多，结构复杂，不利于变换器体积和成本的降低。


技术实现要素：

5.针对燃料电池的上述特点和燃料电池dcdc变换器的不足，本发明提出一种可变结构dcdc变换拓扑，可调节开关通断灵活改变拓扑结构，并具有降压、升压、高增益三种工作模式，通过模式之间的切换和多相并联技术，不仅实现了升降压和高电压增益，而且在全占空比区域具有良好的均流特性，还降低了输入电流纹波。
6.技术方案
7.一种适用于燃料电池的可变结构dcdc变换拓扑，该拓扑由两路改进型的buck-boost变换器通过电容c1和开关s5并联而成，通过调节变换器的两路开关，可控制拓扑分别进入降压、升压和高增益模式，保留edr升压拓扑高增益、低电压应力和低开关损耗，扩展了edr升压拓扑的输入电压范围和相间均流区域。
8.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
9.相比于传统buck-boost拓扑，本发明具有更宽的输入电压范围、更低的电流纹波和更低的电压纹波；相比于extended duty ratio(edr)拓扑，本发明增加了降压功能，并通过升压和高增益模式的切换避免了edr拓扑仅能在特定占空比区域实现最高电压增益和自动均流的缺点；相比于多相并联双有源桥式拓扑，本发明使用的元器件更少，结构更简单。
附图说明
10.图1为本发明提出的适用于燃料电池的可变结构dcdc变换拓扑；
11.图2为本发明所提拓扑的降压模式等效电路；
12.图3为本发明所提拓扑的升压模式等效电路；
13.图4为本发明所提拓扑的高增益模式等效拓扑；
14.图5本发明拓扑各模式工作波形。
具体实施方式
15.下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案详细说明：
16.本发明技术方案特征如下，：
17.特征1：本发明所提出可变结构拓扑具有降压、升压、高增益三种工作模式
18.本发明所提出的适用于燃料电池的可变结构dcdc变换拓扑如图1所示，整个拓扑由两路改进型的buck-boost变换器通过电容c1和开关s5并联而成。第一路由开关s1、s3，电感l1，二极管d1、d3组成一个buck-boost变换器，第二路由开关s2、s4、电感l2、二极管d2、d4组成另一个buck-boost变换器，两路buck-boost又通过开关电容c1、二极管d5组成一个edr升压变换器，通过调节开关通断，可控制变换器进入降压、升压和高增益模式，三种模式下电路各元器件工作波形如图5所示。
19.在降压模式时，开关s3、s4常开，s5常闭时，s1、s2以固定占空比作周期性通断，等效拓扑如图2所示。s1、s2闭合，输入端经过s1、s2给电感l1、l2充能，电感电流增大，并流经d3、d4、d5给电容c2和输出端供电；s1、s2断开，电感l1、l2释放能量，电感电流减小，分别通过d1和d2形成回路，给输出端供电，同时电容c2也会释放能量供给输出端，以维持整个周期输出电压的平稳。
20.在升压模式时，当开关s1、s2、s5常闭时，s3、s4以固定占空比作周期性通断，等效拓扑如图3所示。s3、s4闭合，此时，s3、s4可等效成一根导线，输入端经过s1、s2给电感l1、l2充能，并通过s3、s4形成回路，电感电流增大，此时输出端电压由输出电容c2维持；s3、s4断开，输入端经由电感l1、l2，二极管d3、d4，d5，连接输出端流回输入地，输入端和电感同时为电容c2和输出端提供能量。
21.在高增益模式时，当开关s1、s2常闭，s5常开，s3、s4以固定占空比作周期性通断，等效拓扑如图4所示。s3断开，s4闭合，电感l2经由开关s4、二极管d2形成回路，电感l2电流线性减小。而此时第一路输入端和电感l1通过d3、d5向输出端供电，电容c1也向输出端释放上一周期存储的能量。s3闭合，s4断开，电感l1经由开关s3、二极管d1形成回路，电感l1电流线性减小。而此时第二路输入端和电感l2经过d4给电容c1充能，输出端由输出电容c2供能维持电压稳定。
22.特征2：一种适用于燃料电池汽车的可变结构dcdc变换拓扑，可实现高电压增益和升降压
23.一种适用于燃料电池汽车的可变结构dcdc变换拓扑电压增益推导如下：
24.根据特征1中所述，本发明可通过调节开关通断控制拓扑进入三种不同模式，针对三种不同模式，可分别计算电压增益，从而得到本发明一种适用于燃料电池汽车的dcdc变换拓扑的总电压增益范围。
25.由图2可知，本发明拓扑在降压模式时可以等效成两相并联buck电路，两相并联buck电路实际电压增益等同于单相buck，因此根据电感伏秒平衡可以计算降压模式下的电压增益，其中v
in
为输入电压，v
out
为输出电压，d为占空比：
26.(v
in-v
out
)d＝v
out
(1-d)
ꢀꢀ
(2.1)
[0027][0028]
由图3可知，本发明拓扑在升压模式时可以等效成两相并联boosk电路，因此和降压模式一样，也可以根据电感伏秒平衡可以计算升压模式下的电压增益：
[0029]vin
d＝(v
out-v
in
)(1-d)
ꢀꢀ
(2.3)
[0030][0031]
高增益模式不同于降压模式和升压模式，二极管d5在第二相升压回路起着整流隔离的作用，因此输出电压vout不能直接等同于v2，根据两相电感伏秒平衡原理，可推导高增益模式下的电压增益：
[0032]vin
d＝(v
c1-v
in
)(1-d)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2.5)
[0033]vin
d＝(v
out-v
c1-v
in
)(1-d)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2.6)
[0034][0035][0036]
综合三种模式下的电压增益，可得到本发明所提拓扑的电压增益范围为d～2/(1-d)，不仅可实现升降压，而且具有较高增益，且增益比可随着并联相数的增加而增大。
[0037]
特征3：一种适用于燃料电池的可变结构dcdc变换拓扑，可减小输入电流纹波：
[0038]
交错并联技术除了可以大大降低电流纹波，减小变换器的体积，提高功率密度，还可以降低转换器的功率损耗，并且具有高可靠性和高灵活性。本发明通过多相并联技术可以有效降低输入电流纹波，理论输入电流纹波为其中l为相电感量，f为开关频率，相比于传统单相boost变换拓扑，本发明所提拓扑可最高减小一半的电流纹波。
[0039]
特征4：一种适用于燃料电池的可变结构dcdc拓扑，可通过高增益模式和升压模式的切换来实现相间均流：
[0040]
本发明提出的适用于燃料电池的dcdc变换拓扑在高增益模式时可以等效为extended duty ratio(edr)升压拓扑，而edr拓扑有一个显著缺点，只能在特定占空比区域实现最高电压增益和相间均流，对于两相edr而言，当占空比小于50％，edr升压拓扑的电压增益将小于2/(1-d)，且不再具有均流特性。
[0041]
本发明可通过控制高增益模式和升压模式的切换来在全占空比区域内实现相间均流，当占空比大于50％，可控制拓扑进入高增益模式，拓扑在该占空比区域拥有最高电压增益的同时还具有固有均流特性；当占空比小于50％，可控制拓扑进入升压模式，从而继续保持相间均流。
[0042]
本实施案例只是本发明的较优实施方式，需要说明的是，在不背离本发明精神及
其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。