本發(fā)明涉及電力電子功率變換技術領域，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。

背景技術：

隨著化石燃料的大量開采和利用，引發(fā)了一系列的能源問題和環(huán)境問題。人們急切想要開發(fā)可再生清潔能源來改善環(huán)境問題，并緩解能源危機。與此同時，全球汽車數(shù)量的急劇增多，汽車行業(yè)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(chǎn)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(nèi)大力支持利用清潔能源提供動力的新能源汽車的研發(fā)，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(yōu)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(tǒng)的隔離型升壓直流變換器容易實現(xiàn)較高的電壓增益，然而由于變壓器存在漏感，會產(chǎn)生很大的電壓應力，增加了開關損耗和電磁干擾。為了節(jié)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(xiàn)要素：

本發(fā)明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，本發(fā)明利用一種由電感L、電容C、二極管D構成的三端準Z源阻抗網(wǎng)絡，并將其與一種開關電容網(wǎng)絡串聯(lián)，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(wǎng)絡與開關電容網(wǎng)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_in與一個防止電流反向的二極管D₁串聯(lián)表示；

前級為準Z源網(wǎng)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(wǎng)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，U_C1、U_C2、U_C3、U_C4和U_C5分別為相應電容的電壓；U_O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U_O/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。

本發(fā)明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(xù)、輸入與輸出共地的優(yōu)點前提下，實現(xiàn)了占空比為0～0.5范圍內(nèi)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U_O/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(wǎng)絡；

圖2為開關電容網(wǎng)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(wěn)定運行時的重要工作波形。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。

實施例1

一、拓撲結構

本發(fā)明基于準Z源網(wǎng)絡與開關電容網(wǎng)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U_in與一個防止電流反向的二極管D₁串聯(lián)表示)相連；前級為準Z源網(wǎng)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(wǎng)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(jù)功率開關Q的開關狀態(tài)，本發(fā)明所提拓撲的工作狀態(tài)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(nèi)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(nèi)阻，及其他器件的寄生參數(shù)，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(wěn)態(tài)時，電容兩端的電壓和電感流過的電流近似為恒定)。根據(jù)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(tài)有四個電壓閉合回路：U_in-D₁-L₁-C₂-Q-U_in、L₂-Q-C₁-L₂、C₅-D₄-C₃-Q-C₅和C₅-C₄-U_O-C₅。

由基爾霍夫第一定律得：

式中，U_L1on、U_L2on分別為電感L₁、L₂儲存能量時的電壓值，U_in、U_o分別為輸入、輸出電壓，U_C1、U_C2、U_C3、U_C4和U_C5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(tài)有五個電壓閉合回路：

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。

由基爾霍夫第一定律得：

式中，U_L1off、U_L2off分別為電感L₁、L₂釋放能量時的電壓。

根據(jù)伏秒平衡，電感在一個開關周期內(nèi)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(jù)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(jù)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U_O/2。

通過以上分析可得，本發(fā)明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(wěn)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(jīng)歷兩個開關狀態(tài)。下面分別對兩個開關狀態(tài)進行說明。

(1)開關導通時(S＝1)，該狀態(tài)的等效電路如圖4所示。根據(jù)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U_in與電容C₂串聯(lián)，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(lián)，維持高壓直流母線電壓。

(2)開關關斷時(S＝0)，該狀態(tài)的等效電路圖如圖5所示。根據(jù)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(lián)，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U_in與電感L₁和L₂串聯(lián)，通過二極管D₁、D₂和D₃給電容C₅充電；電源U_in與電感L₁、L₂和電容C₃串聯(lián)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(tài)，S＝1時，輸入電源電壓U_in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，電感L₂為電容C₂存儲能量、輸入電源電壓U_in和電感L₁為電容C₁存儲能量，同時輸入電源電壓U_in和電容C₃以及電感L₁、電感L₂剩余的能量為輸出側提供電壓。

因此，燃料電池、電感、電容的能量按上述方式傳遞到輸出側高壓直流母線，可以實現(xiàn)電壓水平的極大提高，以及器件電壓應力的減小。該新型拓撲拓寬了升壓變換器的電壓增益，非常適用于燃料電池單向升壓場合。

本發(fā)明實施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本領域技術人員可以理解附圖只是一個優(yōu)選實施例的示意圖，上述本發(fā)明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優(yōu)劣。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。