本實(shí)用新型涉及直流升壓變換器，具體而言涉及一種用于隔離型氫燃料電池的直流升壓變換器。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)汽車排放尾氣對(duì)環(huán)境造成的污染的問題日益突出。而電動(dòng)汽車存在充電時(shí)間長(zhǎng)，續(xù)航里程有限的問題。氫燃料電池是一種零污染、高效率、續(xù)航里程長(zhǎng)清潔電池，被廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。氫燃料電池使得氫氣和氧氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，通常是為整車供電的基本單元。但是氫燃料電池輸出的電壓變比較低，需要通過直流升壓變換器將電壓升高，從而滿足整車動(dòng)力電池電壓平臺(tái)需求。直流升壓變換器作用是將輸入的低壓直流電壓轉(zhuǎn)換成高壓直流電壓進(jìn)行輸出。這要求直流升壓變換器的輸出直流電壓與輸入直流電壓的升壓比足夠大，從而滿足不同車型對(duì)電壓的需求。電池輸出端連接動(dòng)力電池和電機(jī)，電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生電磁干擾，電磁干擾會(huì)流經(jīng)直流升壓變換器，從而影響氫燃料電池的正常工作。
傳統(tǒng)的直流升壓變換器以Boost電路為主，主要由電感、電容、開關(guān)管和二極管組成，能實(shí)現(xiàn)最基本的升壓功能，但屬于非隔離型直流升壓變換器，其輸入端與輸出端存在直接的電氣連接。
而傳統(tǒng)的隔離型直流升壓變換器采用全橋或者半橋等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以Buck電路為基礎(chǔ)演變而來，是以降壓為基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其輸入輸出升壓比無法設(shè)計(jì)得很高。滿足不了整車動(dòng)力電池與氫燃料電池的電壓匹配需求。
在目前使用的直流升壓變換器多為非隔離型升壓變換器，安全性差，抗干擾性能弱，在連接氫燃料電池和電機(jī)時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的干擾很容易通過非隔離型的直流升壓變換器影響到燃料電池和動(dòng)力電池。
而傳統(tǒng)的隔離型直流升壓變換器采用以Buck為原型的降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)衍生而來，升壓比無法達(dá)到很高，極限升壓比就是變壓器的次級(jí)和初級(jí)繞組比，然而變壓器的次級(jí)與初級(jí)變比越大，分布參數(shù)越大，漏感越大，會(huì)影響整體變換器的性能，且會(huì)使得傳輸效率降低，所以傳統(tǒng)的隔離型變換器即使?jié)M足了電氣隔離的需求，也無法滿足整車動(dòng)力電池和燃料電池電壓的匹配。
為此，期望提供一種新型的用于隔離型氫燃料電池的直流升壓變換器，其既可以滿足整車動(dòng)力燃料電池電壓需求，還能夠滿足直流輸入輸出電氣隔離的要求，使得電機(jī)與氫燃料電池之間有電氣隔離。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本實(shí)用新型的目的在于提供一種于隔離型氫燃料電池的直流升壓變換器，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷。本實(shí)用新型的目的通過以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方式提供了一種用于隔離型氫燃料電池的直流升壓變換器，其中所述直流升壓變換器的直流輸入電壓的正極通過初級(jí)第一電感和初級(jí)第一開關(guān)接地，通過初級(jí)第二電感和初級(jí)第二開關(guān)接地，初級(jí)變壓器的異名端電連接在初級(jí)第一電感與初級(jí)第一開關(guān)之間，初級(jí)變壓器的同名端電連接在初級(jí)第二電感與初級(jí)第二開關(guān)之間，次級(jí)變壓器的同名端與次級(jí)第一二極管、次級(jí)第三二極管、次級(jí)輸出電容的一端以及負(fù)載的一端電連接，次級(jí)變壓器的異名端與次級(jí)第二二極管、次級(jí)第四二極管、次級(jí)輸出電容的另一端以及負(fù)載的另一端電連接,次級(jí)變壓器的輸出電壓施加在輸出負(fù)載的兩端。
根據(jù)本實(shí)用新型的上述實(shí)施方式提供的用于隔離型氫燃料電池的直流升壓變換器，其中所述直流升壓變換器的直流輸入電壓的正極還通過初級(jí)輸入電容接地。
根據(jù)本實(shí)用新型的上述實(shí)施方式提供的用于隔離型氫燃料電池的直流升壓變換器，其中輸入直流電壓的范圍為60伏至120伏，輸出直流電壓的范圍為580伏至720伏。
根據(jù)本實(shí)用新型的上述實(shí)施方式提供的用于隔離型氫燃料電池的直流升壓變換器，其中初級(jí)第一開關(guān)和初級(jí)第二開關(guān)的占空比至少為50％且小于100％。
根據(jù)本實(shí)用新型的上述實(shí)施方式提供的用于隔離型氫燃料電池的直流升壓變換器，其中初級(jí)第一開關(guān)和初級(jí)第二開關(guān)的占空比至少為50％且不大于80％。
根據(jù)本實(shí)用新型的上述實(shí)施方式提供的用于隔離型氫燃料電池的直流升壓變換器，其中變壓器電壓變比2.25。
根據(jù)本實(shí)用新型的上述實(shí)施方式提供的用于隔離型氫燃料電池的直流升壓變換器，其中初級(jí)第一電感的電感量與初級(jí)第二電感的電感量相同，初級(jí)第一電感和初級(jí)第二電感的大小可以通過公式:Vin＝Li×△i/Dt進(jìn)行初步選擇，其中Vin為輸入直流電壓，△i為初級(jí)電感電流變化量，Dt為初級(jí)電感的導(dǎo)通時(shí)間。
根據(jù)本實(shí)用新型的上述實(shí)施方式提供的用于隔離型氫燃料電池的直流升壓變換器，其中初級(jí)電感的電感量還能夠根據(jù)電路對(duì)電感體積要求、電感工作溫度要求和未濾波輸入電流的紋波要求進(jìn)行二次選擇。
根據(jù)本實(shí)用新型的上述實(shí)施方式提供的用于隔離型氫燃料電池的直流升壓變換器，其中未濾波輸入電流的紋波為通過初級(jí)第一電感和初級(jí)第二電感的電感電流變化量的和，未濾波輸入電流的紋波能夠通過初級(jí)輸入電容進(jìn)行濾波，形成濾波后的輸入電流的紋波，濾波后的輸入電流的紋波小于未濾波輸入電流的紋波。
根據(jù)本實(shí)用新型的上述實(shí)施方式提供的用于隔離型氫燃料電池的直流升壓變換器，其中次級(jí)輸出電容C2用于對(duì)輸出直流電壓和電流進(jìn)行穩(wěn)流，次級(jí)輸出電容C2電容值至少為220μF。
根據(jù)本實(shí)用新型的上述實(shí)施方式提供的用于隔離型氫燃料電池的直流升壓變換器，其中初級(jí)輸入電容C1用于對(duì)輸入直流電壓和電流進(jìn)行穩(wěn)流，初級(jí)輸入電容C1和電容值至少為220μF。
根據(jù)本實(shí)用新型的上述實(shí)施方式提供的用于隔離型氫燃料電池的直流升壓變換器，其中次級(jí)第一二極管和次級(jí)第三二極管與次級(jí)第二二極管和次級(jí)第四二極管用于次級(jí)電路的導(dǎo)通和截止，次級(jí)二極管通過通態(tài)電流和反向電壓進(jìn)行選擇，通態(tài)電流根據(jù)電路的輸入電流進(jìn)行計(jì)算，反向電壓根據(jù)電路的輸出電壓進(jìn)行選擇。
根據(jù)本實(shí)用新型的上述實(shí)施方式提供的用于隔離型氫燃料電池的直流升壓變換器，其中當(dāng)初級(jí)第二開關(guān)導(dǎo)通且初級(jí)第一開關(guān)斷開時(shí)，次級(jí)變壓器、次級(jí)第一二極管、輸出負(fù)載和次級(jí)第四二極管構(gòu)成一個(gè)回路；當(dāng)初級(jí)第二開關(guān)斷開且初級(jí)第一開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，次級(jí)變壓器、次級(jí)第二二極管、輸出負(fù)載和次級(jí)第三二極管構(gòu)成一個(gè)回路；當(dāng)初級(jí)第二開關(guān)導(dǎo)通且初級(jí)第一開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，則變壓器不工作。
該方案通過選擇合適初級(jí)電感、初級(jí)開關(guān)和初級(jí)輸入電容使得輸入電流的紋波比較小，從而延長(zhǎng)了氫燃料電池的壽命。
該方案由于采用變壓器升高電壓和傳輸能量，使得輸入與輸出之間存在電氣隔離，保證供電系統(tǒng)電壓供給同時(shí)確保供電系統(tǒng)安全。
【附圖說明】
參照附圖，本實(shí)用新型的公開內(nèi)容將變得更易理解。本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解的是：這些附圖僅僅用于舉例說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而并非意在對(duì)本實(shí)用新型的保護(hù)范圍構(gòu)成限制。圖中：
圖1示出了根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施方式的用于隔離型氫燃料電池的直流升壓變換器。
【具體實(shí)施方式】
圖1和以下說明描述了本實(shí)用新型的可選實(shí)施方式以教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員如何實(shí)施和再現(xiàn)本實(shí)用新型。為了教導(dǎo)本實(shí)用新型技術(shù)方案，已簡(jiǎn)化或省略了一些常規(guī)方面。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解源自這些實(shí)施方式的變型或替換將落在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解下述特征能夠以各種方式組合以形成本實(shí)用新型的多個(gè)變型。由此，本實(shí)用新型并不局限于下述可選實(shí)施方式，而僅由權(quán)利要求和它們的等同物限定。
圖1示出了根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方式提供了一種用于隔離型氫燃料電池的直流升壓變換器。如圖1所示，直流升壓變換器的直流輸入電壓Vin的正極通過初級(jí)輸入電容C1接地，通過初級(jí)第一電感L1和初級(jí)第一開關(guān)sw1接地，通過通過初級(jí)第二電感L2和初級(jí)第二開關(guān)sw2接地，初級(jí)變壓器的異名端電連接在初級(jí)第一電感L1與初級(jí)第一開關(guān)sw1之間，初級(jí)變壓器的同名端電連接在初級(jí)第二電感L2與初級(jí)第二開關(guān)sw2之間，次級(jí)變壓器的同名端與次級(jí)第一二極管D1、次級(jí)第三二極管D3、次級(jí)輸出電容C2的一端以及負(fù)載的一端電連接，次級(jí)變壓器的異名端與次級(jí)第二二極管D2、次級(jí)第四二極管D4、次級(jí)輸出電容C2的另一端以及負(fù)載的另一端電連接,次級(jí)變壓器的輸出電壓Vout施加在輸出負(fù)載R0的兩端。
可選地，相對(duì)于圖1中所示的用于隔離型氫燃料電池的直流升壓變換器，根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)實(shí)施方式的用于隔離型氫燃料電池的直流升壓變換器不包括初級(jí)輸入電容C1。
對(duì)于電動(dòng)汽車而言，需要將幾十伏的輸入直流電壓(60伏至120伏)的電壓變換為幾百伏的輸出直流電壓(例如580伏至720伏)，現(xiàn)有的直流升壓變換器無法滿足電動(dòng)汽車輸出電壓需求。例如為了將60伏的輸入直流電壓Vin變換為600伏的輸出直流電壓Vout，在該過程中輸入電流為500安培，輸出電流為50安培，輸入功率為30千瓦，如果該電路的效率為92％，則輸出功率為27.6千瓦。
對(duì)于如圖1所示的直流升壓變換器而言，其中Vout＝Vin×N/(1-D)(公式1)，在公式1中，N為電路中變壓器電壓變比，D為初級(jí)第一開關(guān)sw1和初級(jí)第二開關(guān)sw2的占空比，其中D＝Dt/DT(公式2),公式2中，DT為初級(jí)第一開關(guān)sw1和初級(jí)第二開關(guān)sw2的開關(guān)工作周期，Dt為初級(jí)第一開關(guān)sw1或初級(jí)第二開關(guān)sw2的開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。在該電路中，占空比至少為50％且小于100％，優(yōu)選地，占空比為：50％≤D≤80％。
對(duì)于初級(jí)電路而言，初級(jí)第一電感L1的電感量與初級(jí)第二電感L2的電感量相同，初級(jí)第一電感L1和初級(jí)第二電感L2的大小可以通過公式3:Vin＝Li×△i/Dt進(jìn)行初步選擇，其中△i為電感電流變化量。當(dāng)△i、Dt以及輸入直流電壓Vin已知時(shí)，則能夠初步計(jì)算出初級(jí)第一電感L1和初級(jí)第二電感L2的電感值。初級(jí)電感L1和L2的電感量大小還需要根據(jù)電路對(duì)電感體積要求、電感工作溫度要求和未濾波輸入電流的紋波要求進(jìn)行二次選擇，從而優(yōu)化整個(gè)電路，未濾波輸入電流的紋波為通過初級(jí)第一電感L1和初級(jí)第二電感L2的電感電流變化量的和。優(yōu)選地，未濾波輸入電流的紋波能夠通過初級(jí)輸入電容C1進(jìn)行濾波，形成濾波后的輸入電流的紋波，濾波后的輸入電流的紋波小于未濾波輸入電流的紋波。
對(duì)于次級(jí)電路而言，當(dāng)初級(jí)第二開關(guān)sw2導(dǎo)通且初級(jí)第一開關(guān)sw1斷開時(shí)，次級(jí)變壓器、D1、輸出負(fù)載和D4構(gòu)成一個(gè)回路；當(dāng)初級(jí)第二開關(guān)sw2斷開且初級(jí)第一開關(guān)sw1導(dǎo)通時(shí)，次級(jí)變壓器、次級(jí)第二二極管D2輸出負(fù)載和次級(jí)第三二極管D3構(gòu)成一個(gè)回路。當(dāng)初級(jí)第二開關(guān)sw2導(dǎo)通且初級(jí)第一開關(guān)sw1導(dǎo)通時(shí)，則變壓器不工作。
初級(jí)輸入電容C1用于對(duì)輸入直流電壓和電流進(jìn)行穩(wěn)流，次級(jí)輸出電容C2用于對(duì)輸出直流電壓和電流進(jìn)行穩(wěn)流，初級(jí)輸入電容C1和次級(jí)輸出電容C2電容值至少為220μF。初級(jí)輸入電容C1和次級(jí)輸出電容C2在體積和成本允許的情況下，其電容值越大，則對(duì)電路的穩(wěn)流效果越好。
次級(jí)第一二極管D1和次級(jí)第三二極管D3與次級(jí)第二二極管D2和次級(jí)第四二極管D4用于次級(jí)電路的導(dǎo)通和截止。次級(jí)二極管D1～D4通過通態(tài)電流和反向電壓進(jìn)行選擇。通態(tài)電流可以根據(jù)電路的輸入電流進(jìn)行計(jì)算，反向電壓可以根據(jù)電路的輸出電壓進(jìn)行選擇。次級(jí)二極管D1～D4選擇時(shí)需要滿足導(dǎo)通時(shí)能夠承載電流，且在導(dǎo)通與斷開轉(zhuǎn)換時(shí)其產(chǎn)生的損耗不會(huì)使得二極管過熱損壞。
該方案通過選擇合適初級(jí)電感、初級(jí)開關(guān)和初級(jí)輸入電容使得氫燃料電池電壓被抬高，符合整車動(dòng)力電池電壓平臺(tái)，且使得輸入電流的紋波比較小，從而延長(zhǎng)了氫燃料電池的壽命。
該方案由于采用變壓器升高電壓和傳輸能量，使得輸入與輸出之間存在電氣隔離，保證供電系統(tǒng)電壓供給同時(shí)確保供電系統(tǒng)安全。