[发明专利]用于燃料电池的输入并联输出串联宽增益升压直流变换器

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子功率变换技术领域，尤其涉及一种新型的宽范围输入的输入并联输出串联升压直流变换器，该升压直流变换器应用于燃料电池。

背景技术

随着社会的不断发展，全球能源危机形势和环境污染问题日益严峻。传统化石能源(石油)因为其不可再生性和带来的一系列环境污染问题，已经不能满足人类对能源的需求，寻找能够代替传统化石能源的新能源已经成为当务之急。

在新能源领域，光伏发电、风力发电和燃料电池发电具有优良的应用前景。新能源电动汽车作为新能源在交通领域中的一种应用备受关注。新能源电动汽车包括纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车等，其中燃料电池电动汽车能够实现零排放，有较高的能量转化率。但是燃料电池输出电压低、输出电流大，而燃料电池电动汽车要求其直流母线有较高的电压等级(如400V)，因此其不能直接驱动电动汽车，需要使用升压直流变换器对其进行升压，从而与高压直流母线的电压等级相匹配。由于燃料电池输出特性较软，因此要求直流变换器能够实现宽增益。另外，为防止因输入电流纹波过大造成燃料电池的使用寿命缩短，要求所用变换器有较小的输入电流纹波。

传统的升压直流变换器结构简单，但其电压增益较低，功率器件的电压应力较大、并且输入电流纹波较大，造成增加开关损耗和降低燃料电池使用寿命的问题。

为了提高电压增益，防止燃料电池的使用寿命缩短，提高效率，需要一种具有宽电压增益、低电压应力和低输入电流纹波的升压直流变换器，使其适用于燃料电池电动汽车的电压变换场合。

发明内容

本发明提供了一种用于燃料电池的输入并联输出串联宽增益升压直流变换器，该直流变换器输入电流纹波较小、功率器件电压应力较低、电压增益较高，详见下文描述：

一种用于燃料电池的输入并联输出串联宽增益升压直流变换器，所述直流变换器应用于燃料电池电动汽车的电压变换场合；所述直流变换器拓扑结构如下：

电感L₁，功率开关Q₁，二极管D₁和电容C₂构成传统升压直流变换器拓扑结构；

电感L₂，功率开关Q₂，二极管D₂和二极管D₃，电容C₁和C₃构成输出电压与输入电压反向的升压直流变换器拓扑结构；

按照输入并联，输出串联的方式连接，组成宽增益输入并联、输出串联的升压直流变换器拓扑结构；

所述直流变换器的电源输入端与燃料电池相连；输出端与高压直流母线相连接；

各个功率器件的电压应力都相同，并且为输出电压的一半；

所述直流变换器的输入电流纹波小于电感电流纹波，所述直流变换器具有较低的输入电流纹波；

各个电容电压和直流变换器的电压增益为：

其中，U_C1、U_C2、U_C3分别为电容的电压；d为占空比；U_in为电源输入端；U_o为输出端。

其中，所述变换器的输出地和输入地电位差为一个恒定的电容电压。

本发明提供的技术方案的有益效果是：该直流变换器实现了较宽的电压增益，其所有功率器件电压应力为输出电压的一半，并且降低了输入电流纹波，有利于延长燃料电池的使用寿命；并且，该直流变换器输出地和输入地之间的电位差为恒定电容电压，而不是高频脉冲电压。因此，该升压直流变换器适用于燃料电池电动汽车。

附图说明

图1为用于燃料电池的输入并联输出串联宽增益升压直流变换器的拓扑结构示意图；

图2为S₁S₂＝10时拓扑的能量流通路径图；

图3为S₁S₂＝00时拓扑的能量流通路径图；

图4为S₁S₂＝01时拓扑的能量流通路径图；

图5为S₁S₂＝11时拓扑的能量流通路径图；

图6为占空比0<d<0.5时拓扑的重要工作波形示意图；

图7为占空比0.5≤d<1时拓扑的重要工作波形示意图。

具体实施方式