类准Z源DC-DC变换器、燃料电池汽车及其调控方法

本发明属于电力电子功率变换，具体涉及一种类准z源dc-dc变换器、燃料电池汽车及其调控方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、因燃料电池的使用简单、运行安静、效率高和结构模块化的优点，燃料电池在汽车工业中的应用备受关注。随着技术的进步，燃料电池在电动汽车中的应用将迅速增加。但是，燃料电池的输出电压相对较低，且具有软输出特性。因此，需要一种具有宽电压增益范围的升压dc-dc变换器来调节直流电压并满足燃料电池的最佳功率传输。同时，用于燃料电池车辆的变换器应具备体积小、效率高、可靠性高的特点。

3、据发明人了解，传统的准z源变换器结构简单，元件数量有限，具有较高的可靠性；但是，仍然存在一些缺点，如功率半导体和电容器的电压应力高，电感体积大，占空比范围有限且电压增益高度非线性。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种类准z源dc-dc变换器、燃料电池汽车及其调控方法，充分考虑近似线性宽电压增益范围和降低电压应力对传统的准z源变换器进行改进，不改变变换器中的元件数量，只需要改变第一功率开关q1和第一电容c1的位置；进而实现功率半导体器件和电容器的电压应力降低，第一电感器l1和第二电感器l2的体积及流过电流相应减小；实现了燃料电池汽车的可靠性调控。

2、根据一些实施例，本发明的第一方案提供了一种类准z源dc-dc变换器，采用如下技术方案：

3、一种类准z源dc-dc变换器，包括第一功率开关q1、准z源单元和第三电容c3；其中，准z源单元包括依次串联的第一电感l1、第一二极管d1、第二电感l2、第二二极管d2、第二电容c2和第一电容c1；所述准z源dc-dc变换器的输入端vin的一端连接第一电感l1，另一端连接第一功率开关q1；所述准z源dc-dc变换器的输出端v0的一端连接二电容c2的阳极，另一端连接第一电容c1的阴极和与输入端vin连接的第一功率开关q1的一侧；所述第三电容c3的阳极连接第二二极管d2的阳极，第三电容c3的阴极连接所述第一二极管d1的阳极以及远离所述输入端vin的第一功率开关q1的一侧；所述第一二极管d1的阴极与第一电容c1的阳极相连接。

4、作为进一步的技术限定，所述第一二极管d1的阴极通过所述第二电感l2分别连接所述第三电容c3的阳极和所述第二二极管d2的阳极。

5、作为进一步的技术限定，所述第二电容c2的阳极分别连接所述输出端v0和所述第二二极管d2的阴极，所述第二电容c2的阴极分别连接所述第一电容c1的阳极和所述第一二极管d1的阴极。

6、作为进一步的技术限定，与所述第一功率开关q1相连接的输入端vin与所述第一电容c1的阴极相连接。

7、作为进一步的技术限定，所述输出端v0的负极与所述输入端vin的负极相连接。

8、作为进一步的技术限定，所述类准z源dc-dc变换器的电压增益m为其中，d为第一功率开关q1的占空比，fs为第一功率开关q1的开关频率，r为类准z源dc-dc变换器的负载电阻。

9、作为进一步的技术限定，所述类准z源dc-dc变换器的电压应力为其中，vc1、vc2和vc3分别表示第一电容c1、第二电容c2和第三电容c3的电压；vd1和vd2分别表示第一二极管d1和第二二极管d2所能承受的电压；vq1为第一功率开关q1所能承受的电压；vin为输入端vin的输入电压；vo为输出端v0的输出电压。

10、根据一些实施例，本发明的第二方案提供了一种燃料电池汽车，采用如下技术方案：

11、一种燃料电池汽车，采用了第一方案中所提供的类准z源dc-dc变换器。

12、根据一些实施例，本发明的第三方案提供了一种类准z源dc-dc变换器的调制方法，采用了第一方案中所提供的类准z源dc-dc变换器，采用如下技术方案：

13、一种类准z源dc-dc变换器的调制方法，包括：在一个开关周期内，t0-t1时间设为工作状态1，t1-t2时间内设为工作状态2，t2-t3时间内设为工作状态3；

14、在工作状态1中，第一功率开关q1处于开通状态，第一二极管d1和第二二极管d2均处于关断状态，输入端vin对第一电感l1充电，第一电感l1的电流il1线性增加；第二电感l2和第三电容c3串联，且第一电容c1向第二电感l2和第三电容c3充电；第二电容c2为准z源dc-dc变换器的负载供能；

15、在工作状态2中，第一功率开关q1处于关断状态，第一二极管d1和第二二极管d2均处于导通状态；输入端vin、第一电感l1、第二电感l2和第三电容c3为第一电容c1、第二电容c2和准z源dc-dc变换器的负载供能；

16、在工作状态3中，第一功率开关q1处于关断状态，第一二极管d1和第二二极管d2均处于关断状态；第三电容c3给第一电容c1充电，第二电容c2为准z源dc-dc变换器的负载供能。

17、根据一些实施例，本发明的第四方案提供了一种燃料电池汽车的调控方法，采用如下技术方案：

18、一种燃料电池汽车的调控方法，，所述燃料电池汽车的燃料电池采用了第一方案中所提供的类准z源dc-dc变换器，所述燃料电池汽车的调控方法采用了第三方案中所提供的类准z源dc-dc变换器的调控方法。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

20、本发明中的类准z源dc-dc变换器在保留了原有准z源变换器的简单结构，元件数量有限，具有较高的可靠性的优点前提下，不需要改变元件数量，只需改变第一功率开关q1和第一电容c1的位置，使得拓扑结构中功率半导体器件和电容器的电压应力降低，第一电感器l1和第二电感器l2的体积及流过电流相应减小。同时，改进的类准z源dc-dc变换器的占空比范围为0-1，电压增益几乎随着占空比的增加而线性增加，避免了占空比范围限制和电压增益高度非线性的局限，适用于汽车燃料电池的电压变换场合。

技术特征：

1.一种类准z源dc-dc变换器，其特征在于，包括第一功率开关q1、准z源单元和第三电容c3；其中，准z源单元包括依次串联的第一电感l1、第一二极管d1、第二电感l2、第二二极管d2、第二电容c2和第一电容c1；所述准z源dc-dc变换器的输入端vin的一端连接第一电感l1，另一端连接第一功率开关q1；所述准z源dc-dc变换器的输出端v0的一端连接二电容c2的阳极，另一端连接第一电容c1的阴极和与输入端vin连接的第一功率开关q1的一侧；所述第三电容c3的阳极连接第二二极管d2的阳极，第三电容c3的阴极连接所述第一二极管d1的阳极以及远离所述输入端vin的第一功率开关q1的一侧；所述第一二极管d1的阴极与第一电容c1的阳极相连接。

2.如权利要求1中所述的一种类准z源dc-dc变换器，其特征在于，所述第一二极管d1的阴极通过所述第二电感l2分别连接所述第三电容c3的阳极和所述第二二极管d2的阳极。

3.如权利要求1中所述的一种类准z源dc-dc变换器，其特征在于，所述第二电容c2的阳极分别连接所述输出端v0和所述第二二极管d2的阴极，所述第二电容c2的阴极分别连接所述第一电容c1的阳极和所述第一二极管d1的阴极。

4.如权利要求1中所述的一种类准z源dc-dc变换器，其特征在于，与所述第一功率开关q1相连接的输入端vin与所述第一电容c1的阴极相连接。

5.如权利要求1中所述的一种类准z源dc-dc变换器，其特征在于，所述输出端v0的负极与所述输入端vin的负极相连接。

6.如权利要求1中所述的一种类准z源dc-dc变换器，其特征在于，所述类准z源dc-dc变换器的电压增益m为其中，d为第一功率开关q1的占空比，fs为第一功率开关q1的开关频率，r为类准z源dc-dc变换器的负载电阻。

7.如权利要求1中所述的一种类准z源dc-dc变换器，其特征在于，所述类准z源dc-dc变换器的电压应力为其中，vc1、vc2和vc3分别表示第一电容c1、第二电容c2和第三电容c3的电压；vd1和vd2分别表示第一二极管d1和第二二极管d2所能承受的电压；vq1为第一功率开关q1所能承受的电压；vin为输入端vin的输入电压；vo为输出端v0的输出电压。

8.一种燃料电池汽车，其特征在于，采用了如权利要求1-7中任一项所述的类准z源dc-dc变换器。

9.一种类准z源dc-dc变换器的调制方法，采用了如权利要求1-7中任一项所述的类准z源dc-dc变换器，其特征在于，包括：在一个开关周期内，t0-t1时间设为工作状态1，t1-t2时间内设为工作状态2，t2-t3时间内设为工作状态3；

10.一种燃料电池汽车的调控方法，其特征在于，所述燃料电池汽车的燃料电池采用了如权利要求1-7中任一项所述的类准z源dc-dc变换器，所述燃料电池汽车的调控方法采用了如权利要求9中所述的类准z源dc-dc变换器的调控方法。

技术总结本发明属于电力电子功率变换技术领域，提供了一种类准Z源DC‑DC变换器、燃料电池汽车及其调控方法，包括第一功率开关、准Z源单元和第三电容；准Z源单元包括依次串联的第一电感、第一二极管、第二电感、第二二极管、第二电容和第一电容；所述类准Z源DC‑DC变换器的输入端的一端连接第一电感，另一端连接第一功率开关；所述类准Z源DC‑DC变换器的输出端的一端连接二电容的阳极，另一端连接第一电容的阴极和与输入端连接的第一功率开关的一侧；所述第三电容的阳极连接第二二极管的阳极，第三电容的阴极连接所述第一二极管的阳极以及远离所述输入端的第一功率开关的一侧；所述第一二极管的阴极与第一电容的阳极相连接。技术研发人员：毕华坤,孟垂杰,王润泽受保护的技术使用者：山东科技大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25