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隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)和人口數(shù)量的快速增長，能源短缺和環(huán)境污染問題成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，燃料電池發(fā)電技術(shù)因清潔環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)獲得廣泛的研究和關(guān)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(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)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(tǒng)正常運(yùn)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(lǐng)域發(fā)電技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

目前，廣大學(xué)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(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)電氣隔離和高電壓增益。有學(xué)者在反激變換器的基礎(chǔ)上引入軟開關(guān)技術(shù)，降低輸入電流紋波、實(shí)現(xiàn)開關(guān)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(guān)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(yōu)點(diǎn)而受到研究人員的廣泛關(guān)注。

傳統(tǒng)Boost變換器具有電路結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)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(dǎo)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(xué)者提出了多種提升變換器電壓增益的方法，主要包括級聯(lián)技術(shù)、交錯并聯(lián)技術(shù)以及引入耦合電感單元、開關(guān)電感/開關(guān)電容單元等，但一定程度還存在應(yīng)用的局限性。

電荷泵與開關(guān)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(lián)充電、串聯(lián)放電達(dá)到提升電壓增益的目的。電荷泵結(jié)構(gòu)具有電路簡單、電壓泵升能力強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于燃料電池前級高增益功率變換場合。

因此，結(jié)合電荷泵電壓倍增能力強(qiáng)和有源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)輸入電流紋波小的特點(diǎn)，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(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行的不足，南京理工大學(xué)自動化學(xué)院的研究人員提出一種基于電荷泵的燃料電池有源網(wǎng)絡(luò)升壓變換器。

圖 實(shí)驗樣機(jī)

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(xì)推導(dǎo)該變換器的穩(wěn)態(tài)/暫態(tài)工作原理；其次，從電壓增益、開關(guān)管電壓應(yīng)力、輸出二極管電壓應(yīng)力、電感電流平均值方面將其與常見升壓變換器進(jìn)行對比，論述該變換器的優(yōu)越性；然后，在器件選型的基礎(chǔ)上詳細(xì)分析三種輸入情況下系統(tǒng)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(shí)驗樣機(jī)，進(jìn)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(guān)器件電壓/電流應(yīng)力低、抗干擾能力強(qiáng)，且當(dāng)輸入電壓為20V、輸出電流為1.25A時，系統(tǒng)整體效率可以達(dá)到94.1%，具有不可比擬的優(yōu)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(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“基于電荷泵的燃料電池有源網(wǎng)絡(luò)升壓變換器”，作者為唐鈞濤、戚志東 等。