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高增益DC-DC变换器是燃料电池发电技术的关键环节，有利于改善燃料电池小电压、大电流特性。但是由于传统Boost变换器存在电压增益有限、电感电流纹波大、功率器件应力高的缺陷，无法满足燃料电池发电系统并网运行的需求。南京理工大学自动化学院的研究人员唐钧涛、戚志东、裴进、单梁，在2022年第4期《电工技术学报》上撰文，提出一种基于电荷泵的燃料电池有源网络升压变换器，将有源网络变换器中输入侧的电感用电荷泵结构代替。该变换器结合电荷泵电压倍增能力强和有源网络结构输入电流纹波小的优势，具有电压增益高、电感电流平均值小、开关器件电压/电流应力低、鲁棒性强的特点。
随着工业化进程的不断推进和人口数量的快速增长，能源短缺和环境污染问题成为制约经济发展的重要因素，燃料电池发电技术因清洁环保的优点获得广泛的研究和关注。但是由于燃料电池具有低电压、大电流的特性，其输出电压通常较低，难以直接接入逆变系统并网运行，需要合适的升压变换器将燃料电池的输出电压抬升到能够满足逆变系统正常运行所需的等级。因此，燃料电池前级高增益DC-DC变换器是目前该领域发电技术的研究热点。
目前，广大学者对DC-DC变换器的研究方向集中于提高变换器的电压增益和效率、降低输入输出电流纹波等方面，根据拓扑结构的特点可以分为隔离型、非隔离型两大类。隔离型变换器的主电路中通常包含高频变压器，可以实现电气隔离和高电压增益。有学者在反激变换器的基础上引入软开关技术，降低输入电流纹波、实现开关管的零电压开通。但是，过高的匝比会影响变压器的线性度，增加变压器的漏感，增大器件的开关损耗。相比之下，非隔离型DC-DC变换器由于具有体积小、功率密度高等优点而受到研究人员的广泛关注。
传统Boost变换器具有电路结构简单、控制灵活等优点，是目前应用最广泛的变换器，但只有工作在极端占空比时才可以获得较高的电压增益，功率器件损耗较大，导致整体效率偏低。为了获得高增益、高效率的非隔离型DC-DC变换器，众多学者提出了多种提升变换器电压增益的方法，主要包括级联技术、交错并联技术以及引入耦合电感单元、开关电感/开关电容单元等，但一定程度还存在应用的局限性。
电荷泵与开关电容电路工作原理类似，是一种典型的电压倍增电路，能够通过电感/电容并联充电、串联放电达到提升电压增益的目的。电荷泵结构具有电路简单、电压泵升能力强的特点，适用于燃料电池前级高增益功率变换场合。
因此，结合电荷泵电压倍增能力强和有源网络结构输入电流纹波小的特点，针对燃料电池小电压、大电流的特性以及难以直接接入逆变系统并网运行的不足，南京理工大学自动化学院的研究人员提出一种基于电荷泵的燃料电池有源网络升压变换器。
图 实验样机
首先，研究人员从两个电感是否存在差值角度分析对变换器性能的影响，详细推导该变换器的稳态/暂态工作原理；其次，从电压增益、开关管电压应力、输出二极管电压应力、电感电流平均值方面将其与常见升压变换器进行对比，论述该变换器的优越性；然后，在器件选型的基础上详细分析三种输入情况下系统各部分损耗所占比重及理论效率；最后，搭建了一套燃料电池前级功率变换实验样机，进一步验证了理论分析的正确性与变换器的有效性。
研究人员指出，该变换器电压增益高、电感电流平均值小、开关器件电压/电流应力低、抗干扰能力强，且当输入电压为20V、输出电流为1.25A时，系统整体效率可以达到94.1%，具有不可比拟的优势，适用于燃料电池前级高增益功率变换场合。
本文编自2022年第4期《电工技术学报》，论文标题为“基于电荷泵的燃料电池有源网络升压变换器”，作者为唐钧涛、戚志东 等。
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