燃料電池車用大功率軟開關(guān)Boost變換器

摘要：燃料電池車是一種新興的清潔能源汽車，為提高燃料電池車用大功率DC／DC變換器效率、減小其體積和重量，提出了一種新型軟開關(guān)Boost變換器，詳細(xì)分析了該變換器的工作原理，研制了20 kW實驗樣機(jī)，結(jié)果表明該新型軟開關(guān)Boost變換器結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良，非常適用于燃料電池車、蓄電池電動車及不間斷電源(UPS)系統(tǒng)中絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)作為主功率器件的高電壓、大功率應(yīng)用場合。
關(guān)鍵詞：變換器；燃料電池車；軟開關(guān)

1 引言
    燃料電池車動力系統(tǒng)中常需要一個大功率DC／DC變換器將燃料電池與動力驅(qū)動系統(tǒng)及能量存儲系統(tǒng)連接以實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)，且該大功率DC／DC變換器升壓比一般不大，通常無需隔離。綜合分析現(xiàn)有DC／DC變換器結(jié)構(gòu)，非隔離Boost變換器結(jié)構(gòu)簡潔、效率較高、輸入電流連續(xù)，非常適用于燃料電池車功率調(diào)節(jié)。
    但在傳統(tǒng)大功率硬開關(guān)變換器中，IGBT關(guān)斷時存在電流拖尾現(xiàn)象，關(guān)斷損耗非常嚴(yán)重。傳統(tǒng)軟開關(guān)大都應(yīng)用諧振原理，使功率管中的電流(電壓)按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化。當(dāng)電流自然過零或電壓為零時，使功率管導(dǎo)通或關(guān)斷，從而減少功率管開關(guān)損耗。
    這里針對大功率IGBT的關(guān)斷損耗問題提出一種新型軟開關(guān)Boost變換器，有效減小了主功率管的關(guān)斷損耗，實現(xiàn)了輔助功率管的零電壓、零電流開關(guān)。且與其他軟開關(guān)Boost變換器相比，該變換器電路簡單、體積小、重量輕、效率高，可在全負(fù)載范圍內(nèi)可靠工作，非常適用于燃料電池車。

2 電容緩沖軟開關(guān)Boost變換器
2．1 電路結(jié)構(gòu)
    對于采用IGBT的大功率Boost變換器，功率管的關(guān)斷損耗通常遠(yuǎn)大于其開通損耗。采用反向恢復(fù)電流幾乎為零的SiC二極管可有效減小功率管開通損耗。電容緩沖軟開關(guān)主要用來解決Boost變換器中主功率管V1的關(guān)斷損耗。在V1關(guān)斷過程中，電容緩沖電路減緩了V1的電壓上升率，減小了V1關(guān)斷時的電流拖尾，從而有效減小了V1的關(guān)斷損耗。圖1為電容緩沖軟開關(guān)Boost變換器。其中，VD1為主二極管，L1為主升壓電感，C1為輸出濾波電容。電容緩沖電路由輔助開關(guān)管V2和V3、輔助二極管VD2和VD3、緩沖電容C2組成。

    圖2示出電容緩沖軟開關(guān)Boost變換器的主要工作波形。

2．2 工作原理分析
    為便于分析電路的工作狀態(tài)，假設(shè)：①電路中所有元件都是理想的；②L1足夠大，在一個開關(guān)周期中，其電流基本保持IL1不變；③C1足夠大，在一個開關(guān)周期中，輸出電壓的紋波可忽略，輸出電壓基本保持為Uo?；谏鲜黾僭O(shè)，該電路每一個軟開管工作周期可分為以下8個狀態(tài)：
    狀態(tài)1(t0～t1) t0時刻前，V1導(dǎo)通，V1的端電壓uV1=0，電流iV1=IL1，V2，V3和C2的端電壓uV2，uV3，uC2和電流iV2，iV3，iC2均為零。t0時刻，V3零電壓導(dǎo)通，V3導(dǎo)通并不影響電路正常工作；
    狀態(tài)2(t1～t2) t1時刻，V1關(guān)斷。由于V3導(dǎo)通，IL1一部分流過V1，一部分流過VD2，V3為C2充電，直到C2充電到Uo。這一充電行為減小了V1的拖尾電流，減緩了uV1上升率，大大減小了其關(guān)斷損耗。此期間uV3=0，uV2隨uV變化，一直上升到Uo；
    狀態(tài)3(t2～t3) t2時刻，V3零電壓、零電流關(guān)斷，V3關(guān)斷并不影響電路正常工作；
    狀態(tài)4(t3～t4) t3時刻，V1開通，V1開通過程不受緩沖電路影響，開通過程中，uV3仍保持為零，uV2隨uV1下降到零，uC2維持不變；
    狀態(tài)5(t4～t5) t4時刻，V2零電壓導(dǎo)通，V2導(dǎo)通并不影響電路正常工作；
    狀態(tài)6(t5～t6) t5時刻，V1再次關(guān)斷，由于V2導(dǎo)通，IL1一部分流過V1，一部分流過V2，C2，VD3向負(fù)載放電，直到uC2=0。C2放電不但能提高變換器效率，而且減小了V1拖尾電流，減緩了uV1上升率。此期間uV2=0，uV3隨uV1變化，一直上升到Uo；
    狀態(tài)7(t6～t7) t6時刻，V2零電壓、零電流關(guān)斷，V2關(guān)斷并不影響電路正常工作；
    狀態(tài)8(t7～t8) t7時刻，V1再次導(dǎo)通，此期間uV2=0，uV3隨uV1變化，一直下降到零。t8時刻將開始下一個軟開關(guān)工作過程。
2．3 軟開關(guān)實現(xiàn)條件
    由以上分析可見，該軟開關(guān)實現(xiàn)條件非常簡單，只要保證V2，V3在V1關(guān)斷前導(dǎo)通，而且在V1再次導(dǎo)通前關(guān)斷即可。V2，V3采用恒定占空比實現(xiàn)C2充電(V3導(dǎo)通)和放電(V2導(dǎo)通)，V1關(guān)斷時間與V2，V3的導(dǎo)通時間保持同步，通過調(diào)節(jié)V1的開通時間即可調(diào)節(jié)其占空比。
    通常Boost變換器的占空比并不是很高，C2能在V1開通前完成充電或放電，不會對V1的占空比產(chǎn)生任何實際限制。此外，采用小容量的C2即可實現(xiàn)減小關(guān)斷損耗，小容量的C2充電速度快，且對占空比無限制，同時有利于減小輔助電路導(dǎo)通損耗。C2的選擇需考慮兩方面因素：①為減小輔助器件傳導(dǎo)損耗，應(yīng)盡量減小C2；②為最大限度減小V1關(guān)斷損耗，C2必須足夠大，足以減緩V1關(guān)斷時的電壓上升率。設(shè)uV1的期望上升時間為△tdes，則有：
    C2=Imax△tdes／Umax       (1)
    式中：Imax，Umax分別為V1的最大電流、電壓。

3 實驗
    為全面了解電容緩沖軟開關(guān)電路，設(shè)計并制作了一臺開關(guān)頻率60 kHz、功率20 kW的電容緩沖軟開關(guān)Boost變換器。為設(shè)計調(diào)試方便，V1，V2和V3均選用IGBT模塊CM300DU-12NFH，該模塊最大集一射極電壓600 V，最大集電極電流300 A，模塊內(nèi)部寄生電感低，開關(guān)頻率可達(dá)60 kHz。VD1，VD2和VD3均選用C3D20060D SiC二極管，其額定電壓、電流為600 V，20 A，反向恢復(fù)近似為零。L1=250μH，C1=300μF，△tdes= 0．5μs，C2=0．15μF。
    實驗樣機(jī)軟開關(guān)采用微控制器ATMega128實現(xiàn)。采集變換器輸入電流并將其轉(zhuǎn)換為0～5 V的電壓信號送微控制器A／D口，微控制器以此來改變V1占空比。V2，V3的占空比固定為常數(shù)，其導(dǎo)通時間稍大于△tdes即可。V1關(guān)斷前令V2，V3控制信號有效，V2，V3的控制信號彼此互差180°。C2充電或放電后，V2，V3導(dǎo)通不會對電路帶來任何副作用，只要其在V1再次導(dǎo)通前關(guān)斷就行。

    圖3a為電容緩沖軟開關(guān)Boost變換器中V1電壓、電流波形，可見，V1關(guān)斷時，其端電壓上升速率減緩。圖3b為V1關(guān)斷時的詳細(xì)電壓、電流波形?？梢?，電容緩沖電路減小了V1的拖尾電流，減緩了V1關(guān)斷時的電壓上升率，從而減小了V1的關(guān)斷損耗。實驗結(jié)果進(jìn)一步驗證了電容緩沖軟開關(guān)電路的性能，且與理論分析結(jié)果一致。

4 結(jié)論
    研究設(shè)計了一種用于燃料電池車的新型電容緩沖軟開關(guān)大功率Boost變換器，該變換器采用電容緩沖軟開關(guān)電路，大大減小了主功率管的關(guān)斷損耗，同時采用零反向恢復(fù)碳化硅二極管，減小了主功率管導(dǎo)通損耗。與軟開關(guān)變換器不同，電容緩沖軟開關(guān)電路省去了笨重的附加電感，僅附加了兩個絕緣柵雙極型晶體管、兩個二極管和一個電容。該變換器電路設(shè)計簡單，控制容易，體積小，重量輕，效率高，非常適用于燃料電池車、蓄電池電動車及不間斷電源系統(tǒng)。