一种应用于燃料电池的高升压比直流变换器
发布时间：2020-07-18 14:02
【摘要】：随着能源消耗的不断增长,化石燃料的枯竭以及环境污染的日益严重,开发清洁的可持续能源变得越来越重要。燃料电池因其原料易得、无污染、转换效率高、工作噪声低等优点受到人们越来越多的关注。在燃料电池的诸多实际应用中,往往需要较高的直流母线电压,而燃料电池的输出电压较低、变化范围宽且对电流纹波有一定的要求,这就需要后级的直流变换器在保证燃料电池正常工作的情况下将其输出电压提升至所需电压值。本文针对燃料电池的应用要求提出了一种非隔离型直流变换器,其具有升压比高、输入电流纹波小、功率器件应力低、效率高等特点。本文分析了燃料电池的工作原理及稳态特性,对比分析了现有各拓扑解决方案的优缺点,然后结合交错并联结构和耦合电感的优势,提出了含耦合电感的交错并联直流变换器,分析了其工作原理和电路中各参数对变换器稳态特性的影响,推导出了输出直流电压增益的精确表达式、功率器件电压应力表达式以及二极管零电流关断的条件,利用PSIM软件对变换器的工作原理和稳态特性进行了仿真验证。最后搭建了一台输入18～36V、输出400V的1kW实验样机,在不同工况下进行了实验。结果表明本文提出的变换器能够实现11.11至22.22的高升压比,输入电流纹波和功率器件电压应力均较小,能在全负载范围内实现二极管的零电流关断和开关管的软开通。功率分析仪的测量结果表明本文提出的变换器能够实现很高的满载效率,最高可至97.49%。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM46;TM911.4
【图文】：
（８．３１４３邋Ｊ／ｍｏｌ．Ｋ），Ｆ为法拉第常数（９６４８７库仑／ｍｏｌ），尸ｍ（0和尸0２（，）分别为输入氢逡逑气和氧气的压强，Ｃｔｅ为常数因子，／（0为电池电流，＾为总延迟。单个燃料电池的逡逑伏安特性曲线如图１－３所示。逡逑Ｊ邋Ｖ逦｜逦理想输出电压逦Ｉ逦逡逑。NB逦Ｉ逡逑Ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ逦ｉ逡逑电邋Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ邋丨逦＇、逡逑＇Ｊ邋0．６邋＿邋活化极丨逡逑电逦化区邋Ｉ邋Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ邋ｊ逡逑压0４－逦！逦欧姆极化区｜逦＼逡逑（Ｖ）邋？逦｜逦Ｉ逦＼逡逑ｉ邋Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ逡逑ｎ邋９邋＿逦！逦！逦Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ逡逑．逦｜逦；浓度极逡逑舛区逡逑０逦０：２逦０：４逦０６逦０８邋￣ＫＯ逦１．２逡逑电流密度（Ａ／ｃｍ２）逡逑图１－３燃料电池伏－安特性曲线逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｖｏｌｔａｇｅ－ｃｕｒｒｅｎｔ邋ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ邋ｏｆ邋ｆｕｅｌ邋ｃｅｌｌ逡逑如上图，单个燃料电池的输出电压较小，带载时不到ＩＶ，一般将多个甚至几逡逑十个燃料电池串联使用。电池输出电压时会工作在欧姆极化区，其值会随着输出逡逑电流的增大而线性减小，即负载越重输出电压越小，且变化范围较大。逡逑在中低负载情况下，电力电子系统在短时间内施加的高频电流纹波对燃料电逡逑池的影响可忽略不计。但低频电流纹波会造成电感应热变化以及氢利用率的变化，逡逑这两者都直接影响燃料电池的性能和寿命。因此，为了使燃料电池输出稳定，并逡逑且保护电池的使用寿命，应使其输出电流的低频纹波变化幅度保持在一定范围内逡逑曑。逡逑１．１．３燃料电池的优势及应用逡逑与其他发电形式相比
１．２．１隔离型高升压比ＤＣ－ＤＣ变换器逡逑现有的一些隔离电压型ＤＣ－ＤＣ变换器，例如移相全桥变换器，可以通过增加逡逑变压器的匝比来实现高升压比，如图１－５所示。但这种电压型变换器的输入电流是逡逑脉冲式的，对燃料电池的性能和寿命造成很大影响，需要很大的电容来抑制输入逡逑电流的纹波。此外，变压器二次侧二极管的电压应力高于输出电压，限制了变换逡逑器在高压输出应用中的效率［１７］。逡逑Ｓ，邋Ｉｐ逦Ｓ￣２｜ｐ邋芬邋＾１＾邋＾＾２逡逑—逦＾邋＾逦Ｃａ－邋￣邋＾逡逑图１－５移相全桥变换器逡逑Ｆｉｇ．邋１－５邋Ｐｈａｓｅ邋ｓｈｉｆｔ邋ｆｕｌｌ－ｂｒｉｄｇｅ邋ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ逡逑电流型隔离变换器相比电压型隔离变换器更适合输入电流纹波要求高的场逡逑合，如有源钳位双升压变换器［１８］和有源钳位全桥变换器［１９］均可以实现高升压比和逡逑高效率，如图１－６和图１－７所示。但这类变换器需要许多功率器件，驱动和控制电逡逑路的成本很高，并且在输入电流大的场合其导通损耗很高。与电压型变换器相同逡逑的是，功率器件的额定电压值较高，增加了变换器成本，且变压器的漏感会对开逡逑关管造成较大的电压尖峰问题。逡逑５逡逑
图１－７有源钳位全桥变换器逡逑Ｆｉｇ．邋１－７邋Ａｃｔｉｖｅ－ｃｌａｍｐ邋ｆｕｌｌ－ｂｒｉｄｇｅ邋ｂｏｏｓｔ邋ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ逡逑非隔离型高升压比ＤＣ－ＤＣ变换器逡逑非隔离型拓扑中，传统Ｂｏｏｓｔ变换器可用于提升直流电压，如图１－８要极大的占空比来实现高升压比，占空比过大会给输出侧二极管Ｚ）。向恢复问题。其次，要想实现较小的输入电流纹波，Ｂｏｏｓｔ电路所需。而且Ｂｏｏｓｔ电路的开关管的电压应力与输出电压相等，所需功率开电压比较高，器件较大，影响效率。为提高变换器的升压比，ｓｔ电路存在的问题，国内外研究学者进行了大量研究，并提出了很多献［２０－２４］使用单开关级联Ｂｏｏｓｔ结构，典型的电路拓扑如图１－９所示？级联Ｂｏｏｓｔ电路相比两级Ｂｏｏｓｔ串联的结构省去了一个开关器件，能
本文编号：2760982
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM46;TM911.4
【图文】：
（８．３１４３邋Ｊ／ｍｏｌ．Ｋ），Ｆ为法拉第常数（９６４８７库仑／ｍｏｌ），尸ｍ（0和尸0２（，）分别为输入氢逡逑气和氧气的压强，Ｃｔｅ为常数因子，／（0为电池电流，＾为总延迟。单个燃料电池的逡逑伏安特性曲线如图１－３所示。逡逑Ｊ邋Ｖ逦｜逦理想输出电压逦Ｉ逦逡逑。NB逦Ｉ逡逑Ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ逦ｉ逡逑电邋Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ邋丨逦＇、逡逑＇Ｊ邋0．６邋＿邋活化极丨逡逑电逦化区邋Ｉ邋Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ邋ｊ逡逑压0４－逦！逦欧姆极化区｜逦＼逡逑（Ｖ）邋？逦｜逦Ｉ逦＼逡逑ｉ邋Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ逡逑ｎ邋９邋＿逦！逦！逦Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ逡逑．逦｜逦；浓度极逡逑舛区逡逑０逦０：２逦０：４逦０６逦０８邋￣ＫＯ逦１．２逡逑电流密度（Ａ／ｃｍ２）逡逑图１－３燃料电池伏－安特性曲线逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｖｏｌｔａｇｅ－ｃｕｒｒｅｎｔ邋ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ邋ｏｆ邋ｆｕｅｌ邋ｃｅｌｌ逡逑如上图，单个燃料电池的输出电压较小，带载时不到ＩＶ，一般将多个甚至几逡逑十个燃料电池串联使用。电池输出电压时会工作在欧姆极化区，其值会随着输出逡逑电流的增大而线性减小，即负载越重输出电压越小，且变化范围较大。逡逑在中低负载情况下，电力电子系统在短时间内施加的高频电流纹波对燃料电逡逑池的影响可忽略不计。但低频电流纹波会造成电感应热变化以及氢利用率的变化，逡逑这两者都直接影响燃料电池的性能和寿命。因此，为了使燃料电池输出稳定，并逡逑且保护电池的使用寿命，应使其输出电流的低频纹波变化幅度保持在一定范围内逡逑曑。逡逑１．１．３燃料电池的优势及应用逡逑与其他发电形式相比
１．２．１隔离型高升压比ＤＣ－ＤＣ变换器逡逑现有的一些隔离电压型ＤＣ－ＤＣ变换器，例如移相全桥变换器，可以通过增加逡逑变压器的匝比来实现高升压比，如图１－５所示。但这种电压型变换器的输入电流是逡逑脉冲式的，对燃料电池的性能和寿命造成很大影响，需要很大的电容来抑制输入逡逑电流的纹波。此外，变压器二次侧二极管的电压应力高于输出电压，限制了变换逡逑器在高压输出应用中的效率［１７］。逡逑Ｓ，邋Ｉｐ逦Ｓ￣２｜ｐ邋芬邋＾１＾邋＾＾２逡逑—逦＾邋＾逦Ｃａ－邋￣邋＾逡逑图１－５移相全桥变换器逡逑Ｆｉｇ．邋１－５邋Ｐｈａｓｅ邋ｓｈｉｆｔ邋ｆｕｌｌ－ｂｒｉｄｇｅ邋ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ逡逑电流型隔离变换器相比电压型隔离变换器更适合输入电流纹波要求高的场逡逑合，如有源钳位双升压变换器［１８］和有源钳位全桥变换器［１９］均可以实现高升压比和逡逑高效率，如图１－６和图１－７所示。但这类变换器需要许多功率器件，驱动和控制电逡逑路的成本很高，并且在输入电流大的场合其导通损耗很高。与电压型变换器相同逡逑的是，功率器件的额定电压值较高，增加了变换器成本，且变压器的漏感会对开逡逑关管造成较大的电压尖峰问题。逡逑５逡逑
图１－７有源钳位全桥变换器逡逑Ｆｉｇ．邋１－７邋Ａｃｔｉｖｅ－ｃｌａｍｐ邋ｆｕｌｌ－ｂｒｉｄｇｅ邋ｂｏｏｓｔ邋ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ逡逑非隔离型高升压比ＤＣ－ＤＣ变换器逡逑非隔离型拓扑中，传统Ｂｏｏｓｔ变换器可用于提升直流电压，如图１－８要极大的占空比来实现高升压比，占空比过大会给输出侧二极管Ｚ）。向恢复问题。其次，要想实现较小的输入电流纹波，Ｂｏｏｓｔ电路所需。而且Ｂｏｏｓｔ电路的开关管的电压应力与输出电压相等，所需功率开电压比较高，器件较大，影响效率。为提高变换器的升压比，ｓｔ电路存在的问题，国内外研究学者进行了大量研究，并提出了很多献［２０－２４］使用单开关级联Ｂｏｏｓｔ结构，典型的电路拓扑如图１－９所示？级联Ｂｏｏｓｔ电路相比两级Ｂｏｏｓｔ串联的结构省去了一个开关器件，能
【参考文献】
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相关硕士学位论文 前2条
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本文编号：2760982
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