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CN108768169B - 一种燃料电池用双耦合交错式升压变换器及其控制方法 - Google Patents

一种燃料电池用双耦合交错式升压变换器及其控制方法 Download PDF

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CN108768169B CN201810417515.XA CN201810417515A CN108768169B CN 108768169 B CN108768169 B CN 108768169B CN 201810417515 A CN201810417515 A CN 201810417515A CN 108768169 B CN108768169 B CN 108768169B
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Abstract

本发明公开了一种燃料电池用双耦合交错式升压变换器及其控制方法，包含交错式Boost单元、中间倍压电路和串联电容输出端，交错式Boost单元包含直流电源Vin、反向耦合电感L1、L1’、限流二极管D3和两个开关管Q1、Q2，中间倍压电路包含正激耦合电感L2、L2'、中间储能电容C1和二极管D1、D2。本发明具有更高的电压增益，系统动态响应能力强，能够有效抑制电流纹波且能量转换效率较高。

Description

一种燃料电池用双耦合交错式升压变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种变换器及其控制方法，特别是一种燃料电池用双耦合交错式升压变换器及其控制方法。
背景技术
伴随着化石能源的大量消耗环境污染问题日益突出，亟需寻求一种清洁无污染的替代能源。而氢能来源广泛、燃烧效率高、清洁环保，被认为是当前最具发展空间的替代能源。氢能的主要利用形式就是燃料电池，氢燃料电池将氢和大气中的氧反应转换为电能，具有零污染、工作效率高以及运行时几乎无噪声的优点，然而燃料电池单体输出电压普遍偏低且稳定性差、输出电流偏大、冷启动慢、动态响应能力差，很难直接驱动负载工作，因此研究一种高性能DC-DC变换器作为燃料电池供电系统的前级变换不可或缺。
理论上讲Boost升压变换器往往通过提高占空比、开关管频率以及通过多变换器级联的方式，达到提高变换器电压变换比的目的。通常存在以下问题，首先占空比提高到极端状态会严重降低系统的工作效率，其次受限于开关器件本身的限制其开关频率也不能设计的太高，再次多变换器级联时其总能量转换效率为各个变换器相乘，故其能量转换效率偏低。另外其电流纹波较大，过高的低频电流纹波对燃料电池有一定的危害，导致氢燃料利用率下降，燃料电池工作效率降低，尤其是100HZ左右的低频纹波会加速质子交换膜的降解，严重影响电池的寿命。针对电流纹波如何抑制的问题，现有文献已经提出了一种交错并联工作的升压变换器，能够在一定程度上减少电流纹波，但其电压增益与单级升压变换器相当，往往并没能得到有效的提升。
隔离型变换器也能够对纹波进行抑制，并且通过调节变压器原副边匝数比，达到提高系统升压比的目的，但随着线圈匝数比的增大其漏感会增加很多，开关管应力较大，变换器能量转换效率不高。开关电容变换器通过电容充放电也能够达到提高电压增益的目的，但其在充放电过程中电流尖峰脉冲较大，也有文献结合耦合电感开关电容单元与传统Boost变换器，得到了具有较高增益与较低电流纹波的变换器系统，但有些变换器采用两级变换器级联，其能量转换效率并不高。如何在增加电压输入范围与有效抑制电流纹波的前提下，提高变换器的升压比与能量转换的效率，已经成为燃料电池供电系统的研究热点之一。因此在基本升压变换器的基础上结合现有技术设计一种燃料电池用新型DC-DC升压变换器。
发明内容
本发明公开了一种燃料电池用双耦合交错式升压变换器及其控制方法，具有更高的电压增益，系统动态响应能力强，能够有效抑制电流纹波且能量转换效率较高。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种燃料电池用双耦合交错式升压变换器，其特征在于：包含交错式Boost单元、中间倍压电路和串联电容输出端，交错式Boost单元包含直流电源Vin、反向耦合电感L1、L1’、限流二极管D3和两个开关管Q1、Q2，中间倍压电路包含正激耦合电感L2、L2'、中间储能电容C1和二极管D1、D2，串联电容输出端包含储能电容C2、C3和负载RL，直流电源Vin的正极连接限流二极管D3的阳极，限流二极管D3的阴极连接反向耦合电感L1、L1’的一端，反向耦合电感L1的另一端连接正激耦合电感L2的一端、开关管Q1的一端和二极管D1的阳极，反向耦合电感L1’的另一端连接开关管Q2的一端、二极管D2的阳极和正激耦合电感L2'的一端，正激耦合电感L2的另一端连接中间储能电容C1的负极，中间储能电容C1的正极连接二极管D2的阴极、储能电容C2的正极和负载RL的一端，正激耦合电感L2'的另一端连接二极管D1的阴极、储能电容C2的负极和储能电容C3的正极，直流电源Vin负极、开关管Q1、Q2的另一端、储能电容C3的负极和负载RL的另一端接地。
进一步地，所述开关管Q1、Q2为交替导通工作的2个开关管，其相位相差180度，具有相同的占空比，并在占空比D>＝0.5模式下工作。
进一步地，所述反向耦合电感L1、L1’和正激耦合电感L2、L2'，为两组紧密耦合的电感，耦合电感L1、L1'与L2、L2'完全相同，其线圈匝数比为1:1。
进一步地，所述直流电源Vin输入端接燃料电池单元，输出端通过逆变电路向负载供电以及并网发电。
进一步地，以DSP芯片TMS320F2802为控制核心搭建500W的实验平台，以DSP芯片提供开关管Q1与Q2的PWM控制信号。
一种燃料电池用双耦合交错式升压变换器的控制方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤一：开关管Q1、Q2均处于导通工作状态，输入电源Vin通过 Q1、Q2向耦合电感L1、L1'充电，电感上的电流iL1、iL1'程近似线性上升状态，电感L1、L1'的电压为其电源输入电压Vin，故其电压电流方程可表示为：
二级管D1、D2截止不工作，中间储能电容C1向负载RL供电的同时向电容C2充电，储能电容C2中的电压Vc2逐步上升并保持在一定的状态；储能电容C3向电感L2'放电，在电感L2、L2'互相耦合作用下，电感L2、L2'中的电流均程线性上升状态；当开关管Q2截止时，此模式结束；流过电感L2'的电流可近似表示为：
步骤二：关断信号驱动Q2截止，Q1继续保持导通状态，二极管 D1反向端电压高于同向端，D1截止不工作；二极管D2导通，燃料电池Vin向电感L2与C1支路充电，电容C1随着充电的进行两端电压逐渐增大，在此同时电感L1'通过二极管D2向电容C2充电、向负载放电，与电感L2'一起共同向储能电容C3快速充电，使得电容C2、C3两端电压迅速增加，电压方向上正下负；
步骤三：两个开关管Q1、Q2均处于导通状态，二极管D1、D2均为截止状态；输入电源Vin通过Q1、Q2向电感L1、L1'充电，L1、 L1'工作于反向耦合状态，其电感中的电流iL1、iL1'程近似线性上升状态，因此电感L1、L1'两端的电压均为其输入电源电压Vin；已经充满电的电容C3、C2分别向电感L2'以及C1、L2支路充电，使得电容C1两端电压Vc1迅速增大；
步骤四：开关管Q1截止、Q2导通，二极管D1导通、D2截止,输入电源Vin通过Q2向耦合电感L1'充电，使得L1'两端的电压为电源电压Vin，在此同时输入电源Vin与储能电感L1一起通过二极管D1向电容C3与耦合电感L2'充电，并与储能电容C2一起向负载供电；中间电容C1为电压保持状态，其电压Vc1保持不变；电容C3为充电状态，其电压Vc3逐步增大；电容C2为放电状态，其电压Vc2逐步减小；耦合电感L1、L1'与L2、L2'中的电流在电感互相耦合的作用下程线性增加状态。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1、本发明所提耦合电感交错升压变换器将Boost电路单元、倍压电路以及串联电容输出端合理组合，得到一种新型变换器，具有良好的电压增益特性，电压变换比得到有效提高能够满足燃料电池的具体需求。如图2所示为该变换器开关管Q2、燃料电池电压以及输出电压的工作波形图，在占空比为0.7左右的情况下，实现了从输入 48V到输出330V电压的变换，从而在合适占空比的情况下实现了较大的电压增益，同时又避免了极端占空比的状态；
该变换器采用交错控制方式，其工作在Boost模式下，开关管 Q1与Q2采用两相交错控制方式在一个开关周期内互补导通，同时电感 L1、L1'反向耦合，可见本发明所提变换器具有纹波电流较低的优点；
本发明采用非隔离变换器拓扑结构，其能量转换效率较高，如图 3所示为该变换器在输入电压与输出电压均保持在48V、330V几乎不变的情况下的工作曲线图。由图可见该变换器工作效率平均能够达到 90％以上，并在一定范围内跟随输出功率的变化，尤其在输出功率450W 时转换效率可达94％，因此该变换器与基本Boost变换器相比具有较高的能量转换效率。
附图说明
图1是本发明的一种燃料电池用双耦合交错式升压变换器的电路图。
图2是本发明的实施例的输入输出Vin、Vo波形图。
图3是本发明的一种燃料电池用双耦合交错式升压变换器工作效率曲线图。
图4是本发明的一个开关周期内变换器的工作波形图。
图5是本发明的实施例工作模式1的等效电路。
图6是本发明的实施例工作模式2的等效电路。
图7是本发明的实施例工作模式3的等效电路。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
如图所示，本发明的燃料电池用双耦合交错式升压变换器包含交错式Boost单元、中间倍压电路和串联电容输出端，交错式Boost单元包含直流电源Vin、反向耦合电感L1、L1’、限流二极管D3和两个开关管Q1、Q2，中间倍压电路包含正激耦合电感L2、L2'、中间储能电容C1和二极管D1、D2，串联电容输出端包含储能电容C2、C3和负载RL，直流电源Vin的正极连接限流二极管D3的阳极，限流二极管D3的阴极连接反向耦合电感L1、L1’的一端，反向耦合电感L1的另一端连接正激耦合电感L2的一端、开关管Q1的一端和二极管D1的阳极，反向耦合电感L1’的另一端连接开关管Q2的一端、二极管D2的阳极和正激耦合电感L2'的一端，正激耦合电感L2的另一端连接中间储能电容C1的负极，中间储能电容C1的正极连接二极管D2的阴极、储能电容C2的正极和负载RL的一端，正激耦合电感L2'的另一端连接二极管D1的阴极、储能电容C2的负极和储能电容C3的正极，直流电源Vin负极、开关管Q1、Q2的另一端、储能电容C3的负极和负载RL的另一端接地。
该变换器工作在电感电流连续模式下，开关管Q1、Q2为交替导通工作的2个开关管，其相位相差180度，具有相同的占空比，并在占空比D>＝0.5模式下工作。反向耦合电感L1、L1’和正激耦合电感L2、 L2'，为两组紧密耦合的电感，耦合电感L1、L1'与L2、L2'完全相同，其线圈匝数比为1:1。
该变换器输入为并联结构类型输出为串联结构类型；C1为中间储能电容，其在一段时间内吸收电感的能量，并在另一段时间内向负载放电。直流电源Vin输入端接燃料电池单元，输出端通过逆变电路向负载供电以及并网发电。
以DSP芯片TMS320F2802为控制核心搭建500W的实验平台，以DSP芯片提供开关管Q1与Q2的PWM控制信号。
一种燃料电池用双耦合交错式升压变换器的控制方法，包含以下步骤：
步骤一：开关管Q1、Q2均处于导通工作状态，输入电源Vin通过 Q1、Q2向耦合电感L1、L1'充电，电感上的电流iL1、iL1'程近似线性上升状态，电感L1、L1'的电压为其电源输入电压Vin，故其电压电流方程可表示为：
二级管D1、D2截止不工作，中间储能电容C1向负载RL供电的同时向电容C2充电，储能电容C2中的电压Vc2逐步上升并保持在一定的状态；储能电容C3向电感L2'放电，在电感L2、L2'互相耦合作用下，电感L2、L2'中的电流均程线性上升状态；当开关管Q2截止时，此模式结束；流过电感L2'的电流可近似表示为：
步骤二：关断信号驱动Q2截止，Q1继续保持导通状态，二极管 D1反向端电压高于同向端，D1截止不工作；二极管D2导通，燃料电池Vin向电感L2与C1支路充电，电容C1随着充电的进行两端电压逐渐增大，在此同时电感L1'通过二极管D2向电容C2充电、向负载放电，与电感L2'一起共同向储能电容C3快速充电，使得电容C2、C3两端电压迅速增加，电压方向上正下负；
步骤三：两个开关管Q1、Q2均处于导通状态，二极管D1、D2均为截止状态；输入电源Vin通过Q1、Q2向电感L1、L1'充电，L1、 L1'工作于反向耦合状态，其电感中的电流iL1、iL1'程近似线性上升状态，因此电感L1、L1'两端的电压均为其输入电源电压Vin；已经充满电的电容C3、C2分别向电感L2'以及C1、L2支路充电，使得电容C1两端电压Vc1迅速增大；
步骤四：开关管Q1截止、Q2导通，二极管D1导通、D2截止,输入电源Vin通过Q2向耦合电感L1'充电，使得L1'两端的电压为电源电压Vin，在此同时输入电源Vin与储能电感L1一起通过二极管D1向电容C3与耦合电感L2'充电，并与储能电容C2一起向负载供电；中间电容C1为电压保持状态，其电压Vc1保持不变；电容C3为充电状态，其电压Vc3逐步增大；电容C2为放电状态，其电压Vc2逐步减小；耦合电感L1、L1'与L2、L2'中的电流在电感互相耦合的作用下程线性增加状态。
具体实验参数如下：输入电压Vin＝48V，输出电压Vo＝330V左右，输出功率Po＝500W，开关管Q1、Q2的工作频率fs＝100kHZ,占空比取 d＞0.5，并可通过控制器进行调节，中间电容C1＝25uf，输出侧储能电容C2＝25uf，C3＝200uf，耦合电感L1＝L1'＝L2＝L2'＝1mH。
在一个开关周期内的具体工作波形如图4所示，变换器有4种工作模式，各工作模式下的等效电路如图5、6、7所示，在不同模式下的工作过程可描述如下：
工作模式1[t0～t1]：如图5所示，此时开关管Q1、Q2均处于导通工作状态，输入电源Vin通过Q1、Q2向耦合电感L1、L1'充电，电感上的电流iL1、iL1'程近似线性上升状态，电感L1、L1'的电压为其电源输入电压Vin，故其电压电流方程可表示为：
二级管D1、D2截止不工作，中间储能电容C1向负载RL供电的同时向电容C2充电，储能电容C2中的电压Vc2逐步上升并保持在一定的状态。储能电容C3向电感L2'放电，在电感L2、L2'互相耦合作用下，电感L2、L2'中的电流均程线性上升状态。当开关管Q2截止时，此模式结束。流过电感L2'的电流可近似表示为：
工作模式2[t1～t2]：如图6所示，在该工作模式下，关断信号驱动Q2截止，Q1继续保持导通状态，二极管D1反向端电压高于同向端，D1截止不工作。二极管D2导通，燃料电池Vin向电感L2与C1支路充电，电容C1随着充电的进行两端电压逐渐增大，在此同时电感L1'通过二极管D2向电容C2充电、向负载放电，与电感L2'一起共同向储能电容C3快速充电，使得电容C2、C3两端电压迅速增加，电压方向上正下负。
工作模式3[t2～t3]：如图7所示，在此时刻，开关管Q1、Q2的工作方式与模式1相同，两个开关管均处于导通状态，二极管D1、D2均为截止状态。输入电源Vin通过Q1、Q2向电感L1、L1'充电，L1、L1'工作于反向耦合状态，其电感中的电流iL1、iL1'程近似线性上升状态，因此电感L1、L1'两端的电压均为其输入电源电压Vin。在工作模式2的基础上已经充满电的电容C3、C2分别向电感L2'以及C1、L2支路充电，使得电容C1两端电压Vc1迅速增大。
工作模式4[t3～t4]：开关管Q1截止、Q2导通，二极管D1导通、 D2截止,输入电源Vin通过Q2向耦合电感L1'充电，使得L1'两端的电压为电源电压Vin，在此同时输入电源Vin与储能电感L1一起通过二极管D1向电容C3与耦合电感L2'充电，并与储能电容C2一起向负载供电。在此工作模式下，中间电容C1为电压保持状态，其电压Vc1几乎保持不变；电容C3为充电状态，其电压Vc3逐步增大；电容C2为放电状态，其电压Vc2逐步减小；耦合电感L1、L1'与L2、L2'中的电流在电感互相耦合的作用下程线性增加状态。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种燃料电池用双耦合交错式升压变换器的控制方法，所述变换器包含交错式Boost单元、中间倍压电路和串联电容输出端，交错式Boost单元包含直流电源Vin、反向耦合电感L1、反向耦合电感L1’、限流二极管D3、一个开关管Q1、一个开关管Q2，中间倍压电路包含正激耦合电感L2、正激耦合电感L2'、中间储能电容C1、二极管D1和二极管D2；串联电容输出端包含储能电容C2、储能电容C3和负载RL；直流电源Vin的正极连接限流二极管D3的阳极，限流二极管D3的阴极连接反向耦合电感L1和反向耦合电感L1’的一端，反向耦合电感L1的另一端连接正激耦合电感L2的一端、开关管Q1的一端和二极管D1的阳极，反向耦合电感L1’的另一端连接开关管Q2的一端、二极管D2的阳极和正激耦合电感L2'的一端，正激耦合电感L2的另一端连接中间储能电容C1的负极，中间储能电容C1的正极连接二极管D2的阴极、储能电容C2的正极和负载RL的一端，正激耦合电感L2'的另一端连接二极管D1的阴极、储能电容C2的负极和储能电容C3的正极；直流电源Vin负极、开关管Q1和开关管Q2的另一端、储能电容C3的负极和负载RL的另一端接地；其中，开关管Q1和开关管Q2为交替导通工作的2个开关管，其相位相差180度，具有相同的占空比，并在占空比D>＝0.5模式下工作；所述反向耦合电感L1、反向耦合电感L1’和正激耦合电感L2、正激耦合电感L2'为两组紧密耦合的电感；反向耦合电感L1、反向耦合电感L1'与正激耦合电感L2和正激耦合电感L2'完全相同，其线圈匝数比为1:1；
其特征在于，包含以下步骤：
步骤一：开关管Q1和开关管Q2均处于导通工作状态，输入直流电源Vin通过开关管Q1和开关管Q2向反向耦合电感L1和反向耦合电感L1'充电，反向耦合电感L1上的电流iL1和反向耦合电感L1'的电流iL1'呈近似线性上升状态，反向耦合电感L1和反向耦合电感L1'的电压为其直流电源Vin输入电压，故其电压电流方程表示为：
二极管D1和二极管D2截止不工作，中间储能电容C1向负载RL供电的同时向储能电容C2充电，储能电容C2中的电压Vc2逐步上升并保持在一定的状态；储能电容C3向正激耦合电感L2'放电，在正激耦合电感L2和正激耦合电感L2'互相耦合作用下，正激耦合电感L2和正激耦合电感L2'中的电流均呈线性上升状态；当开关管Q2截止时，此模式结束；流过正激耦合电感L2'的电流近似表示为：
步骤二：关断信号驱动开关管Q2截止，开关管Q1继续保持导通状态，二极管D1反向端电压高于同向端，二极管D1截止不工作；二极管D2导通，输入直流电源Vin向正激耦合电感L2与中间储能电容C1支路充电，中间储能电容C1随着充电的进行两端电压逐渐增大，在此同时，反向耦合电感L1'通过二极管D2向储能电容C2充电和向负载放电，并与正激耦合电感L2'一起共同向储能电容C3快速充电，使得储能电容C2和储能电容C3两端电压迅速增加，电压方向上正下负；
步骤三：开关管Q1和开关管Q2均处于导通状态，二极管D1和二极管D2均为截止状态；输入直流电源Vin通过开关管Q1和开关管Q2向反向耦合电感L1和反向耦合电感L1'充电，反向耦合电感L1和反向耦合电感L1'工作于反向耦合状态，反向耦合电感L1中的电流iL1、反向耦合电感L1'中的电流iL1'呈近似线性上升状态，因此反向耦合电感L1和反向耦合电感L1'两端的电压均为其输入直流电源电压Vin；已经充满电的储能电容C3和储能电容C2分别向正激耦合电感L2'、中间储能电容C1以及正激耦合电感L2支路充电，使得中间储能电容C1两端电压Vc1迅速增大；
步骤四：开关管Q1截止，开关管Q2导通，二极管D1导通，二极管D2截止,输入直流电源Vin通过开关管Q2向反向耦合电感L1'充电，使得反向耦合电感L1'两端的电压为直流电源电压Vin，在此同时，输入直流电源Vin与反向耦合电感L1一起通过二极管D1向储能电容C3与正激耦合电感L2'充电，并与储能电容C2一起向负载供电；中间储能电容C1为电压保持状态，其电压Vc1保持不变；储能电容C3为充电状态，其电压Vc3逐步增大；储能电容C2为放电状态，其电压Vc2逐步减小；反向耦合电感L1和反向耦合电感L1'与正激耦合电感L2和正激耦合电感L2'中的电流在电感互相耦合的作用下呈线性增加状态。
2.按照权利要求1所述的一种燃料电池用双耦合交错式升压变换器的控制方法，其特征在于：所述直流电源Vin输入端接燃料电池单元，输出端通过逆变电路向负载供电以及并网发电。
3.按照权利要求1所述的一种燃料电池用双耦合交错式升压变换器的控制方法，其特征在于：以DSP芯片TMS320F2802为控制核心搭建500W的实验平台，以DSP芯片提供开关管Q1与开关管Q2的PWM控制信号。
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