- 頭條南京理工學者提出新型燃料電池有源網絡升壓變換器，效率達94.1%2022-07-24 作者：唐鈞濤、戚志東 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語高增益DC-DC變換器是燃料電池發電技術的關鍵環節，有利于改善燃料電池小電壓、大電流特性。但是由于傳統Boost變換器存在電壓增益有限、電感電流紋波大、功率器件應力高的缺陷，無法滿足燃料電池發電系統并網運行的需求。南京理工大學自動化學院的研究人員唐鈞濤、戚志東、裴進、單梁，在2022年第4期《電工技術學報》上撰文，提出一種基于電荷泵的燃料電池有源網絡升壓變換器，將有源網絡變換器中輸入側的電感用電荷泵結構代替。該變換器結合電荷泵電壓倍增能力強和有源網絡結構輸入電流紋波小的優勢，具有電壓增益高、電感電流平均值小、開關器件電壓/電流應力低、魯棒性強的特點。
隨著工業化進程的不斷推進和人口數量的快速增長，能源短缺和環境污染問題成為制約經濟發展的重要因素，燃料電池發電技術因清潔環保的優點獲得廣泛的研究和關注。但是由于燃料電池具有低電壓、大電流的特性，其輸出電壓通常較低，難以直接接入逆變系統并網運行，需要合適的升壓變換器將燃料電池的輸出電壓抬升到能夠滿足逆變系統正常運行所需的等級。因此，燃料電池前級高增益DC-DC變換器是目前該領域發電技術的研究熱點。
目前，廣大學者對DC-DC變換器的研究方向集中于提高變換器的電壓增益和效率、降低輸入輸出電流紋波等方面，根據拓撲結構的特點可以分為隔離型、非隔離型兩大類。隔離型變換器的主電路中通常包含高頻變壓器，可以實現電氣隔離和高電壓增益。有學者在反激變換器的基礎上引入軟開關技術，降低輸入電流紋波、實現開關管的零電壓開通。但是，過高的匝比會影響變壓器的線性度，增加變壓器的漏感，增大器件的開關損耗。相比之下，非隔離型DC-DC變換器由于具有體積小、功率密度高等優點而受到研究人員的廣泛關注。
傳統Boost變換器具有電路結構簡單、控制靈活等優點，是目前應用最廣泛的變換器，但只有工作在極端占空比時才可以獲得較高的電壓增益，功率器件損耗較大，導致整體效率偏低。為了獲得高增益、高效率的非隔離型DC-DC變換器，眾多學者提出了多種提升變換器電壓增益的方法，主要包括級聯技術、交錯并聯技術以及引入耦合電感單元、開關電感/開關電容單元等，但一定程度還存在應用的局限性。
電荷泵與開關電容電路工作原理類似，是一種典型的電壓倍增電路，能夠通過電感/電容并聯充電、串聯放電達到提升電壓增益的目的。電荷泵結構具有電路簡單、電壓泵升能力強的特點，適用于燃料電池前級高增益功率變換場合。
因此，結合電荷泵電壓倍增能力強和有源網絡結構輸入電流紋波小的特點，針對燃料電池小電壓、大電流的特性以及難以直接接入逆變系統并網運行的不足，南京理工大學自動化學院的研究人員提出一種基于電荷泵的燃料電池有源網絡升壓變換器。
圖 實驗樣機
首先，研究人員從兩個電感是否存在差值角度分析對變換器性能的影響，詳細推導該變換器的穩態/暫態工作原理；其次，從電壓增益、開關管電壓應力、輸出二極管電壓應力、電感電流平均值方面將其與常見升壓變換器進行對比，論述該變換器的優越性；然后，在器件選型的基礎上詳細分析三種輸入情況下系統各部分損耗所占比重及理論效率；最后，搭建了一套燃料電池前級功率變換實驗樣機，進一步驗證了理論分析的正確性與變換器的有效性。
研究人員指出，該變換器電壓增益高、電感電流平均值小、開關器件電壓/電流應力低、抗干擾能力強，且當輸入電壓為20V、輸出電流為1.25A時，系統整體效率可以達到94.1%，具有不可比擬的優勢，適用于燃料電池前級高增益功率變換場合。
本文編自2022年第4期《電工技術學報》，論文標題為“基于電荷泵的燃料電池有源網絡升壓變換器”，作者為唐鈞濤、戚志東 等。
