燃料电池用新型高升压比DCDC变换器

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1、燃料电池用新型高升压比DC/DC变换器张珂，全书海，黄亮，忖旭（武汉理工大学口动化学院，湖北武汉430070）摘要：由于燃料电池发电系统的输出特性偏软，大功率DC/DC变换器是其必不可少的零部件2—。提出了一种新型高升压比的升降压DC/DC变换器，它由buck电路和一种多级自主升压boost电路组成。该变换器可在宽范围输入的条件下达到稳压输出，实现低占空比升压，降低了开关管的导通损耗，可冇效提高效率。新型电路实际应用于自主研发的人功率单向DC/DC变换器中，取得了良好的效果。关键词:燃料电池；高升压比；大功率；变换器屮图分类号:TP29文章编

2、号:2095-3852（2012）04-0464-03文献标志码:A随着电源技术的快速发展，越来越多高效环保的新型能源（如燃料电池、超级电容、光伏等）逐渐趋向产业化，同时对DC/DC变换器的性能要求也越来越苛刻。特别在燃料电池发电系统中，要求DC/DC变换器必须具有功率大、效率高、安全可靠和体积小等特点，因此研究大功率高效率的DC/DC变换器十分重要［1］。在轻载时，燃料电池电压较高，需通过DC/DC实现降压输IP,；ffi载时，燃料电池电压较低，需用DC/DC实现升压输出。在多级升压boost电路［2一6］的基础上，笔者提出的新型boost

3、—buck电路能有效实现燃料电池在各个状态都稳压输出。相比于传统的升降压电路，该变换器能实现低占空比升压,可有效地降低开关管的导通功耗，从而提高了效率。1新型DC/DC变换器主电路设计笔者提出了一种新型的高升压比boost-buck变换器，其拓扑结构如图1所示。主电路由一个改进的boost电路和buck电路组成。改进的boost电路相比于传统的boost电路只增加了一个电容和两个二极管就实现了两倍于后者的升压比，并且开关管、二极管承受的电压较小，有效地降低了成本。该电路可在升压模式和降压模式下工作，图1iMKlSt-buck拓扑结构各个工作模

4、式的分析如下：(1)升压模式。升压模式状态分析图如图2所示。当变换器在升压模式工作时，开关管T2--直处于直通状态，通过控制乙的PWM占空比来控制输出电压。当许导通时，如图2("所示，电流直接流经厶回到输入的负极，厶储能；二极管D2反向截止；电容c2的能量经:极管D.流向电容“当片关断时，如图2(b)所示，电感厶经二极管0续流,给电容(2充电；二极管0截止;电容G的能量经二极管5流向电容G和负载。当系统达到稳态时■在一个周期内电容c2和电容G的电压平均值基本相等。设开关管行的占空比为〃▼则：(a)T显通吋(b)£关断时图2升压模式状态分析图(

5、2)降压模式。降压模式状态分析图如图3所示。当变换器在降压模式工作吋，开关管T1一直处于断开状态，系统等效为一个传统的buck电路。当T2导通时，如图3(a)所示，D2、D3、D4导通；电流经L2给电容C5充电，给负载放屯。当T2次断时，如图3(b)所示，L2经D5续流，继续给负载放电；此时LI、Cl、C2形成一个震荡冋路，避免了因L1电流突变而引起的电压尖峰。2(a)7；导通时(b)7；关断时图3降压模式状态分析图设T2的片空比为〃r「则：(3)2升降压比参数计算在理想情况下，lxx)s(电路的升压比可以通过调节占空比无限增大，但是在实际应

6、用中受各种因素的影响,其升压比并不能达到无穷大。其1P最L要的林响因素是电路中电感的等效串联电阻ESR(equivalentseriesresistance),而」L开关频率越高，影响越大。设厶和L2的等效串联电阻分别为和厶的平均电流为输出电流为/心，输出阻抗为儿。由能量守恒疋理可知：也=匕人=叮/&(4)I=(5)当系统达到稳态时，一个周期内电感厶两端电压的平均值％应为零，则:%=D"-宀)+(If・

7、式工作时，设电感厶2的平均电流为/心则:电感%=°厶的平均电压叫2也应为零•即：-KJ+(1_〃丿・=o(io)可知:（11）电感的等效串联电阻会随着开关频率的增人而增人，因此在选择开关频率时也应适当考虑对DC/DC变换器变比的影响。3实验结果及分析在自主研发的大功率DC/DC变换器中，采用新型boost—buck电路作为主电路拓扑结构，选用TI公司的DSP芯片(TMS320LF2407)作为控制芯片，通过输出电压、电流反馈调节开关管的占空比,以达到稳压的目的。实验参数：输入电压为25〜80V,设定目标输出电压为51V,开关频率为20kHz输

8、入电感Ll=200pH,输出电感L2=400pH,输出滤波电容C5=1000pF,中间电容C2=C3=C4=IOOjjF,占空比由DSP根据反馈值计算得出。图4为该