基于電荷泵的燃料電池有源網絡升壓變換器

唐鈞濤 戚志東 裴 進 單 梁

基于電荷泵的燃料電池有源網絡升壓變換器

唐鈞濤 戚志東 裴 進 單 梁

（南京理工大學自動化學院 南京 210094）

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。該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。最后搭建一套燃料電池前級功率變換實驗樣機，驗證了變換器的高效率與有效性，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%。

燃料電池發電技術 高增益DC-DC變換器 有源網絡 電荷泵

0 引言

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[1]。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[2]。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[3]。

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。文獻[4]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[5]。

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[6]。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[7]。

級聯技術能夠通過將兩個或多個變換器級聯，使系統整體的電壓增益為各級變換器增益的乘 積[8]。文獻[9]將兩級變換器的兩個開關管整合為一個，提出二次型Boost變換器，降低了控制難度，但本質上依然經過兩次變換，傳輸損耗較大。

與單路變換器相比，采用交錯并聯技術的Boost變換器具有更小的輸入電流紋波、更高的電壓增 益[10]。文獻[11]提出一種非對稱交錯并聯高增益DC-DC變換器，在二次型Boost電路的基礎上引入開關電感三端網絡，能夠有效降低功率器件的電壓/電流應力。文獻[12]將交錯并聯技術和由二極管、電感、電容組成的電壓倍增單元相結合，使其在所有功率水平下的整體效率均高于92.1%，在115W時的最大效率可以達到96.7%。但是如果要獲得較高的電壓增益，依然需要變換器工作在較大占空比條件下，導通損耗問題較嚴重。

引入耦合電感也是提升電壓增益的有效方法，與變壓器的工作原理相似，增加耦合電感一次、二次繞組匝比時能夠獲得較大的電壓增益[13]。文獻[14]在變換器的前級將耦合電感和電容相結合，實現零輸入電流紋波，在變換器的后級利用耦合電感倍壓單元擴展變換器的電壓增益。文獻[15]在傳統Boost變換器中引入無源零紋波電路降低輸入電流紋波，并通過耦合電感提升電壓增益，電路拓撲簡單且效率較高。文獻[16]將耦合電感單元運用于二次型Boost變換器，耦合電感次級連接倍壓單元，不僅提升變換器的電壓增益，也有效降低開關管的電壓應力。文獻[17]結合開關電容網絡和三繞組耦合電感，提出一種軟開關高效率DC-DC變換器，不但能夠實現非極端占空比條件下的高電壓增益，而且耦合電感的引入有利于減少器件數量，有效降低變換器的導通損耗。但是由于耦合電感漏感的影響，需要使用鉗位電路抑制開關管關斷電壓尖峰，增大實際應用的難度[18]。

此外，引入開關電感/開關電容單元，通過控制開關管、二極管的通斷，改變電路中電感、電容的連接方式，也是提升電壓增益的有效方法[19]。文獻[20]在Boost級聯變換器的基礎上引入開關電容技術，使變換器的整體效率達到88.75%，通過與開關電容Boost變換器、傳統二次型Boost變換器進行對比，該變換器能夠實現低占空比的高增益變換。文獻[21]分別將傳統交錯并聯Boost變換器、開關電感單元、開關電容單元進行組合，衍生出一系列非隔離型高增益DC-DC變換器，能夠在實現較大電壓增益的同時具有更小的功率器件電壓應力。有源網絡（Active Network, AN）Boost變換器借鑒開關電感單元并聯充電、串聯放電的思想，由兩個電感和兩個開關管構成，與開關電感Boost變換器相比，盡管電壓增益相同，但開關管電壓應力更低[22]。文獻[23]將有源網絡升壓變換器與開關電感/開關電容單元相結合，能夠實現25～35V至400V的高電壓比升壓。與此同時，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[24]。文獻[25]將電荷泵結構引入交錯并聯Boost變換器中，不僅能夠有效減小輸入電流紋波、降低功率器件電壓應力，與傳統開關電容電路相比，獲得的電壓增益更高。因此，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。

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，本文提出一種基于電荷泵的燃料電池有源網絡升壓變換器，該變換器具有電壓增益高、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。首先，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，進一步驗證理論分析的正確性與變換器的有效性。

1 變換器拓撲分析

1.1 變換器拓撲概述

本文提出的高增益DC-DC變換器拓撲中，采用有源網絡結構的工作原理和由無源器件構成的開關電感單元類似，由兩個電感及兩個開關管按照圖1所示有源網絡的連接方式組合而成，利用開關管的同步通斷，實現兩個電感的并聯充電和串聯放電，盡管與開關電感Boost變換器的電壓增益相同，但是開關管電壓應力更小。

圖1 有源網絡

鑒于電荷泵結構電壓泵升能力強的特點，本文首次在變換器的輸入側用電荷泵結構代替有源網絡結構中的電感，得到如圖2所示的基于電荷泵的燃料電池有源網絡升壓變換器，有望實現在大幅度提高電壓增益的同時，減小輸入電流紋波，降低功率器件電壓/電流應力，更好地滿足燃料電池前級高增益功率變換的需要。

該變換器中兩個開關管采用同步通斷的控制方式，即兩個開關管導通與關斷信號一致，便于控制。

圖2 基于電荷泵的燃料電池有源網絡升壓變換器

為了簡化工作原理分析，作如下基本假設：電路中的所有元器件不考慮寄生參數的影響，視為理想元器件；電容足夠大，忽略電容上的紋波電容電壓，即在一個周期內保持不變。

1.2 理想狀態工作模態分析

該變換器在連續導通模式（Continous ConductionMode, CCM）和斷續導通模式（Discontinous Conducion Mode, DCM）下1=2時的關鍵波形如圖3所示，s為一個開關周期。為了簡化分析，令

式中，iL1、iL2分別為流過電感L1、L2的電流。

不同工作模態下變換器的等效電路如圖4所示。

模態1[0,1]：工作模態如圖4a所示，在此階段中，開關管S1、S2導通，電感1、2并聯且分別被輸入側電源充電，輸出濾波電容0為負載提供能量，此外兩個相同大小的電容1、2由輸入側電源充電，充電電流為，輸入電流為i。此時變換器對應的微分方程為

圖4 不同工作模態下變換器的等效電路

模態2[1,2]：工作模態如圖4b所示，在此階段中，開關管S1、S2關斷，輸入側為直流源，電感1、2和電容1、2串聯為負載和濾波電容0提供能量。此時變換器對應的微分方程為

在得到狀態空間平均方程之前，定義計算開關網絡的平均電壓和電流為

式中，=u,i分別為電感電壓和電容電流。

根據電容1、2的安秒平衡原理可知

式中，為開關管的占空比。

根據式（2）～式（5），可以得到該變換器理想狀態下的狀態空間平均方程為

根據式（6）可以推導得到該變換器理想狀態下的電壓增益表達式為

電路在DCM下有三種工作模態，其電路工作狀態如圖4a、圖4b、圖4d所示，其工作原理與CCM類似，變換器在DCM下的電壓增益為

圖5 變換器CCM、DCM分界曲線

1.3 非理想狀態工作模態分析

以上的工作模式分析是建立在電感1、2大小完全相等的情況下，然而實際上受到制作工藝的限制，兩個電感無法做到大小完全一致。倘若電感1、2不相等，則變換器的工作模式與電感相等時存在較大不同。為了簡化分析，假設1＜2。

該變換器在CCM下1＜2時部分器件的電壓、電流波形如圖6所示，圖中，i0為流過輸出電容0的電流。

如果1=2，那么i1在任何時刻都等于i2，但是當1＜2時，一旦開關管關斷，i1＞i2，此時電感1會立刻放電，為了滿足基爾霍夫電流定律，二極管VD2被強制打開，從而導致電感2仍在充電，當i1=i2時，此階段結束，該階段對應的時間間隔為s（A為0～1之間的一個常數）。

圖6 L1＜L2時CCM下主要波形

模態1[0,1]：工作模態如圖4a所示，在此階段中，開關管S1、S2導通，電感1、2并聯且被輸入側直流源充電；電容1、2由直流電源充電，充電電流分別為1、2。由于1＜2，可以得到i1＞i2。此時變換器對應的微分方程為

模態2[1,2]：工作模態如圖4c所示，在此階段中，開關管S1、S2關斷，由于i1＞i2，導致二極管VD2前向偏置，電感1開始放電，電感2繼續充電，直到i1=i2進入模態3。此時變換器對應的微分方程為

模態3[2,0+s]：工作模態如圖4b所示，在此階段中，輸入側為直流源，電感1、2和電容1、2串聯為負載和濾波電容0提供能量。此時變換器對應的微分方程為

為了簡化分析，令

根據電容的庫倫平衡方程可知

根據式（9）～式（13），可以得到該變換器非理想狀態下的狀態空間平均方程為

同理，根據式（14）可以推導得到該變換器非理想狀態下的電壓增益表達式為

與式（7）相比，電壓增益在電感值不相等時與理想狀態時的表達式一致。

1.4 系統仿真驗證

為了初步評估該變換器在燃料電池前級功率變換應用場合中的動態性能，本節通過燃料電池機理模型進行阻性負載突變仿真驗證，燃料電池模型的輸出電壓為10～20V，1=2=47mH，1=2=250mF，0=100mF，0=64W，輸出電壓給定值為80V。

阻性負載突變仿真波形如圖7所示。0.03s時，系統從額定負載變為70%額定負載（加載）；0.06s時，系統從70%額定負載變為額定負載（減載）。

圖7 阻性負載突變仿真波形

根據圖7可知，當系統處于加載或減載情況下，輸出電壓紋波隨負載的變化而改變，且輸出電壓/電流能夠在0.005s內重新恢復穩定值，初步驗證了上述理論分析的準確性。

2 變換器性能分析

本文提出的變換器與Boost變換器、開關電容（Switched Capacitor, SC）Boost變換器、開關電感（Switched Inductor, SL）Boost變換器以及AN- Boost變換器相比，在電壓增益、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都具有較大的優勢，有利于降低器件損耗，以下將在CCM下進行詳細分析。

2.1 電壓增益

本文提出的變換器和其他一系列升壓變換器的電壓增益對比曲線如圖8所示。

圖8 電壓增益對比曲線

根據圖8可知，本文提出的變換器的電壓增益遠高于其他四種變換器；當占空比=0.8時，電壓增益達到10倍以上，具有較大的優勢。

2.2 開關管電壓應力

本文提出的變換器和其他一系列升壓變換器的歸一化開關管電壓應力（s/i）對比曲線如圖9所示。

圖9 開關管電壓應力對比曲線

根據圖9可知，當實現相同的電壓增益比時，本文提出的變換器與其他升壓變換器相比，開關管承受的電壓應力最低，當電壓增益為10時，開關管電壓應力僅為輸入電壓的4.3倍，可以有效降低開關管的開關損耗。

2.3 輸出二極管電壓應力

本文提出的變換器和其他一系列升壓變換器的歸一化輸出二極管電壓應力（VD0/i）對比曲線如圖10所示。

圖10 輸出二極管電壓應力對比曲線

根據圖10可知，當實現相同的電壓增益比時，本文提出的變換器與SC-Boost變換器相比存在較大不足，僅在電壓增益小于2時有一定優勢；但在全電壓增益范圍內遠小于其他三種升壓變換器，當電壓增益為10時，輸出二極管電壓應力僅為輸入電壓的9倍，可以有效降低二極管的開關損耗。

2.4 電感電流平均值

本文提出的變換器和其他一系列升壓變換器的歸一化電感電流平均值（I/o）對比曲線如圖11所示。

圖11 電感電流平均值對比曲線

根據圖11可知，當實現相同的電壓增益比時，本文提出的變換器與其他升壓變換器相比，流過電感的電流平均值最低，當電壓增益為10時，電感電流平均值僅為輸出電流的4.2倍，有助于降低單個電感的體積，減小系統成本。

綜上所述，從以上四個方面與傳統升壓變換器相比，本文提出的變換器具有電壓增益高、電感電流平均值小、功率器件電壓/電流應力低的特點，驗證了該變換器拓撲的可行性與有效性。

3 器件參數設計及損耗分析

3.1 器件參數設計

3.1.1 電感

當開關管導通時，滿足

經整理，可得

根據式（17）計算，電感1、2均選為47mH；若考慮兩個電感值的差值對變換器性能的影響，則選電感1=47mH，電感2=68mH。

3.1.2 電容

當電容處于充電過程時，滿足

經整理，可得

根據式（19）計算，電容1、2均選擇250mF/ 50V的鋁電解電容，輸出濾波電容0選擇100mF/100V的鋁電解電容。

3.1.3 功率器件

開關管承受的最大電壓應力為

流過開關管的電流有效值為

二極管承受的最大電壓應力為

流過二極管的通態平均電流為

結合式（20）～式（23），若考慮一定的裕度，開關管S1、S2均選擇型號為IRF3205S的MOS管，其耐壓DS=55V，耐流D=110A；輸出二極管VD0選用型號為SS56的肖特基二極管，其耐壓RRM= 60V，平均整流電流AV=5A；電荷泵中的二極管VD1、VD2均選擇型號為MBR1040的肖特基二極管，其耐壓RRM=40V，平均整流電流AV=10A。

基于上述分析過程，實驗條件及選取的元器件參數見表1。

表1 實驗參數設計

Tab.1 Utilized components and parameters of the converter

3.2 損耗分析

為了進一步從理論上驗證該變換器的有效性，在器件選型的基礎上，本節將從開關管、二極管、電容、電感這四個方面分析系統的理論損耗，并分別計算10V、15V、20V三種情況下變換器的整體效率。

3.2.1 開關管損耗

開關管損耗主要包括導通損耗和開關損耗兩部分，導通損耗s(con)可以表示為

式中，ds(on)為開關管的導通電阻；sw(rms)為開關管電流有效值。

開關損耗sw分為開通損耗t-on和關斷損耗t-off兩部分，分別表示為

式中，S1、S2分別為開關管S1、S2兩端的電壓；S1、S2分別為流過開關管S1、S2的電流；on和off分別為開關管的上升時間和下降時間；s為一個開關周期。

根據IRF3205S的數據手冊可知，該型號MOS管的導通電阻ds(on)=8mW，上升時間為101ns，下降時間為65ns。

3.2.2 二極管損耗

二極管損耗主要包括導通損耗和開關損耗兩部分，導通損耗D(con)可以表示為

式中，fwd為正向導通壓降；D(avg)為二極管電流平均值。

此外，由于肖特基二極管的反向恢復時間短且反向恢復電流低，在開關損耗方面與MOSFET相比較小，因此在理論計算過程中可以將這一部分損耗忽略[26]。

3.2.3 電容損耗

電容損耗主要由等效串聯電阻產生，可表示為

式中，ESR為電容等效串聯電阻；I(rms)為電容電流有效值。

3.2.4 電感損耗

電感損耗主要包括鐵耗和銅耗兩部分，鐵耗Fe可表示為

式中，core為磁心體積；L為磁心單位體積功率 損耗。

銅耗Cu可表示為

式中，R為電感直流電阻；I為電感電流。

根據功率電感的數據手冊可知，47mH電感的直流電阻R=47mW，68mH電感的直流電阻R=70mW。

3.2.5 理論損耗分析與效率計算

根據式（24）～式（29），可以分別得到10V、15V、20V三種情況下四種損耗的理論值，電路理論損耗值與效率計算結果見表2。

表2 理論損耗值與效率計算結果

Tab.2 Theoretical loss and efficiency calculation results

根據表2可以分別繪制出10V、15V、20V三種情況下各部分損耗所占比重，如圖12所示。可知，三種不同的輸入條件下二極管損耗所占比重最大，隨輸入電壓的升高而不斷增大，且輸入電壓為20V時二極管損耗所占比重達到50%以上。此外，根據表2可知，當變換器工作于額定負載下理論效率值均能保持在90%以上，且輸入電壓為20V時變換器的理論效率值最高，初步驗證了變換器的有效性與高效率。

圖12 三種情況下各部分損耗所占比重

4 實驗驗證

本文搭建了一套燃料電池前級功率變換實驗樣機，如圖13所示。

圖13 實驗樣機

主拓撲的輸入端將根據以下兩種情況選擇合適的輸入源：①當驗證10V、15V、20V三種情況下器件穩態電壓/電流波形是否與理論波形一致時，主拓撲的輸入端將直接接入直流穩壓源；②當驗證整個系統在負載擾動下輸出電壓/電流波形是否滿足設計要求時，主拓撲的輸入端將采用質子交換膜燃料電池（PEMFC）電堆。

4.1 電感值相等時的實驗結果

若不考慮兩個電感值的差值對變換器性能的影響，即電感1、2均取相同的感值，即47mH。輸入電壓為10V時額定負載下的實驗波形如圖14所示，圖14a為占空比控制信號gs、輸入電壓i、電感電流I1和I2的波形，可以看出，電感電流平均值為4.48A；圖14b為輸出電壓o、MOS管S1的漏源電壓S1、電荷泵二極管VD1的反向壓降VD1以及輸出二極管VD0的反向壓降VD0的波形，可以看出，開關管S1和二極管VD1在關斷期間的電壓應力為33V，輸出二極管VD0在關斷期間的電壓應力為68V，與理論分析值基本保持一致。

圖14 輸入電壓為10V時的實驗波形

輸入電壓為15V或20V時額定負載下的實驗波形如圖15所示，圖15a為15V輸入條件下占空比控制信號gs、MOS管S1的漏源電壓S1、電感電流I1以及輸出二極管VD0的反向壓降VD0的波形，可以看出，電感電流平均值為2.72A，開關管S1在關斷期間的電壓應力為31V，輸出二極管VD0在關斷期間的電壓應力為64V，與理論分析值基本保持一致；同理，圖15b為20V輸入條件下相關波形，實驗結果與理論值也基本相同。

圖15 輸入電壓為15V或20V時的實驗波形

基于電荷泵的燃料電池有源網絡升壓變換器的電路參數理論計算值和實驗值的對比見表3，可以看出，當燃料電池輸出電壓在10～20V之間變化時，電路參數的理論計算值和實驗值基本相同，只存在較小的誤差。

表3 電路參數理論計算值和實驗值的對比

Tab.3 Comparison between theoretical calculations and experimental values of circuit parameters

4.2 電感值不相等時的實驗結果

由于在實際運用中，兩個電感值不可能做到完全相同，為了探究電感值不相等對系統的影響，取電感1、2分別為47mH、68mH。為了簡化分析，只考慮輸入電壓為15V的情況，輕載條件下的實驗波形如圖16所示。

根據圖16可知，盡管電感1、2之間的差值高達40%，但I1和I2的平均值相差不是很大，意味著該變換器具有較強的魯棒性，對系統參數值變化不敏感。

圖16 輸入電壓為15V、電感L1＜L2時的實驗波形

4.3 變換器在燃料電池系統中的運用

為了凸顯該變換器在燃料電池前級功率變換應用場合中的優越性，輸入端將接入PEMFC電堆，并引入阻性負載擾動，分別為阻性負載從額定負載變為70%額定負載（加載）以及從70%額定負載變為額定負載（減載）的過程，負載突變時系統的瞬態響應曲線如圖17所示。

由圖17可知，當系統處于重載情況下，紋波隨輸出電流的增大而增大；在加載和減載的過程中，系統的穩態恢復時間均在10ms左右，產生的電壓降在3V左右，說明該變換器在電壓單環控制下具有較好的動態性能，與圖7所示的阻性負載突變仿真波形基本保持一致，進一步驗證了理論分析的正確性。

圖17 阻性負載突變實驗波形

此外，電流在0.75～2A之間變化時系統效率曲線如圖18所示。

圖18 系統效率曲線

由圖18可知，當燃料電池輸出電壓（即變換器的輸入電壓）在10～20V之間變化時，系統的效率均能保持在89%以上，與表2中的理論效率值基本保持相同。當變換器的輸入電壓為20V時，變換器的效率明顯高于其他兩種情況；且輸出電流為1.25A時，系統的整體效率可以達到94.1%，進一步驗證了該變換器的有效性與高效率。

5 結論

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，本文從電壓增益、電感電流紋波、功率器件電壓/電流應力方面考慮，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，提出一種基于電荷泵的燃料電池有源網絡升壓變換器。本文詳細分析該變換器的穩態/暫態工作原理，并考慮兩個電感值的差值對變換器性能的影響，通過電路性能對比、器件損耗分析和一套燃料電池前級功率變換實驗樣機的驗證可以看出，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。

[1] 陳錦洲, 林飛, 何洪文, 等. 質子交換膜燃料電池/電解槽系統建模及負荷追蹤策略[J]. 電工技術學報, 2020, 35(增刊2): 636-643.

Chen Jinzhou, Lin Fei, He Hongwen, et al. Proton exchange membrane fuel cell/electrolyzer hybrid power system modeling and load tracking strategy[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(S2): 636-643.

[2] 戚志東, 裴進, 胡迪. 基于分數階PID控制的質子交換膜燃料電池前級功率變換器[J]. 電工技術學報, 2019, 34(增刊1): 235-243.

Qi Zhidong, Pei Jin, Hu Di. Pre-stage power converter of proton exchange membrane fuel cell based on fractional order PID controller[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(S1): 235- 243.

[3] 徐良材, 皇甫宜耿, 李錢, 等. 基于微分平坦理論的燃料電池用高增益DC-DC變換器魯棒控制研究[J]. 中國電機工程學報, 2020, 40(21): 6828-6839.

Xu Liangcai, Huangfu Yigeng, Li Qian, et al. Research on robust control of high gain DC-DC converter for fuel cell based on differential flatness theory[J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40(21): 6828-6839.

[4] 丁杰, 趙世偉, 尹華杰. 新型軟開關隔離型高增益DC-DC變換器[J]. 電工電能新技術, 2020, 39(6): 18-25.

Ding Jie, Zhao Shiwei, Yin Huajie. A new type of soft switch isolated DC/DC converter with high step-up[J]. New Technology of Electrical Engineering and Energy, 2020, 39(6): 18-25.

[5] Marzang V, Hosseini S H, Rostami N, et al. A high step-up nonisolated DC-DC converter with flexible voltage gain[J]. IEEE Transactions on Power Elec- tronics, 2020, 35(10): 10489-10500.

[6] 曾怡達, 譚金練, 田富升. 一種高增益低應力DC/DC升壓變換器[J]. 電力電子技術, 2019, 53(10): 108-110, 120.

Zeng Yida, Tan Jinlian, Tian Fusheng. A high-gain and low-stress DC/DC step-up converter[J]. Power Electronics Technology, 2019, 53(10): 108-110, 120.

[7] 齊磊, 楊亞永, 孫孝峰, 等. 一種電流型高增益雙向DC-DC變換器[J]. 電工技術學報, 2019, 34(18): 3797-3809.

Qi Lei, Yang Yayong, Sun Xiaofeng, et al. A current- fed high step-up bidirectional DC-DC converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(18): 3797-3809.

[8] Zhang Shuxin, Li Binbin, Cheng Da, et al. A monopolar symmetrical hybrid cascaded DC/DC converter for HVDC interconnections[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2021, 36(1): 248- 262.

[9] Rezaie M, Abbasi V. Effective combination of quadratic Boost converter with voltage multiplier cell to increase voltage gain[J]. IET Power Electronics, 2020, 13(11): 2322-2333.

[10] Shaneh M, Niroomand M, Adib E. Ultrahigh step-up nonisolated interleaved Boost converter[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2020, 8(3): 2747-2758.

[11] 喬文轉, 張少如, 張蒙蒙, 等. 一種非對稱交錯并聯高增益DC-DC變換器[J]. 電力系統保護與控制, 2019, 47(16): 151-158.

Qiao Wenzhuan, Zhang Shaoru, Zhang Mengmeng, et al. An asymmetric cross-parallel high step-up DC-DC converter[J]. Power System Protection and Control, 2019, 47(16): 151-158.

[12] Zhu Binxin, Ren Lulu, Wu Xi. Kind of high step-up DC/DC converter using a novel voltage multiplier cell[J]. IET Power Electronics, 2017, 10(1): 129-133.

[13] 李洪珠, 劉飛揚, 劉艷, 等. 一種新型磁集成高增益耦合電感倍壓Boost變換器[J]. 電工技術學報, 2020, 35(增刊2): 450-460.

Li Hongzhu, Liu Feiyang, Liu Yan, et al. A new magnetically integrated high gain coupled inductance voltage-doubled Boost converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(S2): 450- 460.

[14] 王攀攀, 段森, 童志剛, 等. 一種零紋波高增益DC/DC變換器仿真實驗分析[J]. 實驗技術與管理, 2019, 36(12): 107-112.

Wang Panpan, Duan Sen, Tong Zhigang, et al. Simulation analysis of a zero ripple high gain DC/DC converter[J]. Experimental Technology and Manage- ment, 2019, 36(12): 107-112.

[15] 付光杰, 郭長江, 丁善峰, 等. 基于耦合電感低輸入電流紋波高增益DC/DC變換器[J]. 吉林大學學報(信息科學版), 2019, 37(3): 230-237.

Fu Guangjie, Guo Changjiang, Ding Shanfeng, et al. High gain DC/DC converter based on coupled inductance with low input current ripple[J]. Journal of Jilin University (Information Science Edition), 2019, 37(3): 230-237.

[16] 徐瑞東, 閆超前, 池飛飛, 等. 耦合電感倍壓單元的高增益DC/DC變換器[J]. 電力電子技術, 2018, 52(9): 57-59.

Xu Ruidong, Yan Chaoqian, Chi Feifei, et al. High voltage gain DC/DC converter based on coupled inductor and voltage-double cell[J]. Power Electro- nics Technology, 2018, 52(9): 57-59.

[17] 雷浩東, 郝瑞祥, 游小杰, 等. 基于開關電容和三繞組耦合電感的高電壓增益DC-DC變換器[J]. 電工技術學報, 2020, 35(17): 3666-3677.

Lei Haodong, Hao Ruixiang, You Xiaojie, et al. High voltage gain DC-DC converter with switched capacitor and three-winding coupled inductor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(17): 3666-3677.

[18] Moradisizkoohi H, Elsayad N, Mohammed O A. An integrated interleaved ultrahigh step-up DC-DC converter using dual cross-coupled inductors with built-in input current balancing for electric vehicles[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2020, 8(1): 644-657.

[19] Tang Yu, Wang Ting, Fu Dongjin. Multicell switched inductor/switched capacitor combined active-network converters[J]. IEEE Transactions on Power Electro- nics, 2015, 30(4): 2063-2072.

[20] 田富升, 曾怡達, 譚金練, 等. 新型高增益DC/DC升壓變換器的研究[J]. 電力電子技術, 2019, 53(12): 1-3, 15.

Tian Fusheng, Zeng Yida, Tan Jinlian, et al. Research on a novel high gain DC/DC Boost converter[J]. Power Electronics Technology, 2019, 53(12): 1-3, 15.

[21] Liu Lingling, Li Donghui, Yao Lele. Non-isolated high step-up DC-DC conversion circuits for photo- voltaic system[J]. International Transactions on Electrical Energy Systems, 2020, 30(2): 1-18.

[22] Tang Yu, Wang Ting. Study of an improved dual- switch converter with passive lossless clamping[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, 62(2): 972-981.

[23] Abdel-Rahim O, Ali Z M, Kamel S. Switched inductor switched capacitor based active network inverter for photovoltaic applications[C]//2018 Inter- national Conference on Innovative Trends in Computer Engineering, Aswan, Egypt, 2018: 410-414.

[24] Baddipadiga B P, Ferdowsi M. A high voltage gain DC-DC converter based on modified dickson charge pump voltage multiplier[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 32(10): 7707-7715.

[25] Srun C, Samman F A, Sadjad R S. A high voltage gain DC-DC converter design based on charge pump circuit configuration with a voltage controller[C]// 2018 2nd International Conference on Applied Electromagnetic Technology, Lombok, Indonesia, 2018: 79-84.

[26] Patidar K, Umarikar A C. High step-up pulse-width modulation DC-DC converter based on quasi-Z- source topology[J]. IET Power Electronics, 2015, 8(4): 477-488.

An Active Network DC-DC Boost Converter with a Charge Pump Employed in Fuel Cells

（School of Automation Nanjing University of Science and Technology Nanjing 210094 China）

The DC-DC converter with high step-up voltage gain plays an important role in fuel cell power generation technology, which has become an effective measure to improve fuel cells’ low-voltage and high-current characteristics. However, the traditional Boost converter cannot satisfy the requirements of grid-connected operation of fuel cell power generation systems due to its disadvantages of limited voltage gain, large inductor current ripple, and high-power device stress. In this paper, by replacing the inductors on the input side of the active network converter (small input current ripple) with a charge pump structure (strong voltage multiplication ability), an active network DC/DC Boost converter with a charge pump is put forward, which has high step-up voltage gain, small inductor current, low voltage/current stress on power devices, and strong robustness. Then, an experimental prototype of fuel cell front stage power conversion is established to verify the effectiveness and high efficiency of the proposed converter. When the input voltage is 20V and the output current is 1.25A, the overall efficiency of the system can reach about 94.1%.

Fuel cell power generation technology, DC-DC converters with high step-up voltage gain, active network, charge pump

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201473

TM46

唐鈞濤 男，1997年生，碩士研究生，主要研究方向為非隔離型高增益DC-DC變換器。E-mail: 2484732155@qq.com

戚志東 男，1976年生，副教授，碩士生導師，主要研究方向為燃料電池建模與控制、燃料電池發電技術。E-mail: qizhidong@sina.com（通信作者）

國家自然科學基金（61374153）和江蘇省自然科學基金（BK20191286）資助項目。

2020-11-06

2021-03-01

（編輯 陳 誠）