燃料电池车用大功率软开关Boost变换器

摘要：燃料电池车是一种新兴的清洁能源汽车，为提高燃料电池车用大功率DC／DC变换器效率、减小其体积和重量，提出了一种新型软开关Boost变换器，详细分析了该变换器的工作原理，研制了20 kW实验样机，结果表明该新型软开关Boost变换器结构简单、性能优良，非常适用于燃料电池车、蓄电池电动车及不间断电源(UPS)系统中绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为主功率器件的高电压、大功率应用场合。
关键词：变换器；燃料电池车；软开关

1 引言
    燃料电池车动力系统中常需要一个大功率DC／DC变换器将燃料电池与动力驱动系统及能量存储系统连接以实现功率调节，且该大功率DC／DC变换器升压比一般不大，通常无需隔离。综合分析现有DC／DC变换器结构，非隔离Boost变换器结构简洁、效率较高、输入电流连续，非常适用于燃料电池车功率调节。
    但在传统大功率硬开关变换器中，IGBT关断时存在电流拖尾现象，关断损耗非常严重。传统软开关大都应用谐振原理，使功率管中的电流(电压)按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过零或电压为零时，使功率管导通或关断，从而减少功率管开关损耗。
    这里针对大功率IGBT的关断损耗问题提出一种新型软开关Boost变换器，有效减小了主功率管的关断损耗，实现了辅助功率管的零电压、零电流开关。且与其他软开关Boost变换器相比，该变换器电路简单、体积小、重量轻、效率高，可在全负载范围内可靠工作，非常适用于燃料电池车。

2 电容缓冲软开关Boost变换器
2．1 电路结构
    对于采用IGBT的大功率Boost变换器，功率管的关断损耗通常远大于其开通损耗。采用反向恢复电流几乎为零的SiC二极管可有效减小功率管开通损耗。电容缓冲软开关主要用来解决Boost变换器中主功率管V1的关断损耗。在V1关断过程中，电容缓冲电路减缓了V1的电压上升率，减小了V1关断时的电流拖尾，从而有效减小了V1的关断损耗。图1为电容缓冲软开关Boost变换器。其中，VD1为主二极管，L1为主升压电感，C1为输出滤波电容。电容缓冲电路由辅助开关管V2和V3、辅助二极管VD2和VD3、缓冲电容C2组成。

    图2示出电容缓冲软开关Boost变换器的主要工作波形。

2．2 工作原理分析
    为便于分析电路的工作状态，假设：①电路中所有元件都是理想的；②L1足够大，在一个开关周期中，其电流基本保持IL1不变；③C1足够大，在一个开关周期中，输出电压的纹波可忽略，输出电压基本保持为Uo。基于上述假设，该电路每一个软开管工作周期可分为以下8个状态：
    状态1(t0～t1) t0时刻前，V1导通，V1的端电压uV1=0，电流iV1=IL1，V2，V3和C2的端电压uV2，uV3，uC2和电流iV2，iV3，iC2均为零。t0时刻，V3零电压导通，V3导通并不影响电路正常工作；
    状态2(t1～t2) t1时刻，V1关断。由于V3导通，IL1一部分流过V1，一部分流过VD2，V3为C2充电，直到C2充电到Uo。这一充电行为减小了V1的拖尾电流，减缓了uV1上升率，大大减小了其关断损耗。此期间uV3=0，uV2随uV变化，一直上升到Uo；
    状态3(t2～t3) t2时刻，V3零电压、零电流关断，V3关断并不影响电路正常工作；
    状态4(t3～t4) t3时刻，V1开通，V1开通过程不受缓冲电路影响，开通过程中，uV3仍保持为零，uV2随uV1下降到零，uC2维持不变；
    状态5(t4～t5) t4时刻，V2零电压导通，V2导通并不影响电路正常工作；
    状态6(t5～t6) t5时刻，V1再次关断，由于V2导通，IL1一部分流过V1，一部分流过V2，C2，VD3向负载放电，直到uC2=0。C2放电不但能提高变换器效率，而且减小了V1拖尾电流，减缓了uV1上升率。此期间uV2=0，uV3随uV1变化，一直上升到Uo；
    状态7(t6～t7) t6时刻，V2零电压、零电流关断，V2关断并不影响电路正常工作；
    状态8(t7～t8) t7时刻，V1再次导通，此期间uV2=0，uV3随uV1变化，一直下降到零。t8时刻将开始下一个软开关工作过程。
2．3 软开关实现条件
    由以上分析可见，该软开关实现条件非常简单，只要保证V2，V3在V1关断前导通，而且在V1再次导通前关断即可。V2，V3采用恒定占空比实现C2充电(V3导通)和放电(V2导通)，V1关断时间与V2，V3的导通时间保持同步，通过调节V1的开通时间即可调节其占空比。
    通常Boost变换器的占空比并不是很高，C2能在V1开通前完成充电或放电，不会对V1的占空比产生任何实际限制。此外，采用小容量的C2即可实现减小关断损耗，小容量的C2充电速度快，且对占空比无限制，同时有利于减小辅助电路导通损耗。C2的选择需考虑两方面因素：①为减小辅助器件传导损耗，应尽量减小C2；②为最大限度减小V1关断损耗，C2必须足够大，足以减缓V1关断时的电压上升率。设uV1的期望上升时间为△tdes，则有：
    C2=Imax△tdes／Umax       (1)
    式中：Imax，Umax分别为V1的最大电流、电压。

3 实验
    为全面了解电容缓冲软开关电路，设计并制作了一台开关频率60 kHz、功率20 kW的电容缓冲软开关Boost变换器。为设计调试方便，V1，V2和V3均选用IGBT模块CM300DU-12NFH，该模块最大集一射极电压600 V，最大集电极电流300 A，模块内部寄生电感低，开关频率可达60 kHz。VD1，VD2和VD3均选用C3D20060D SiC二极管，其额定电压、电流为600 V，20 A，反向恢复近似为零。L1=250μH，C1=300μF，△tdes= 0．5μs，C2=0．15μF。
    实验样机软开关采用微控制器ATMega128实现。采集变换器输入电流并将其转换为0～5 V的电压信号送微控制器A／D口，微控制器以此来改变V1占空比。V2，V3的占空比固定为常数，其导通时间稍大于△tdes即可。V1关断前令V2，V3控制信号有效，V2，V3的控制信号彼此互差180°。C2充电或放电后，V2，V3导通不会对电路带来任何副作用，只要其在V1再次导通前关断就行。

    图3a为电容缓冲软开关Boost变换器中V1电压、电流波形，可见，V1关断时，其端电压上升速率减缓。图3b为V1关断时的详细电压、电流波形。可见，电容缓冲电路减小了V1的拖尾电流，减缓了V1关断时的电压上升率，从而减小了V1的关断损耗。实验结果进一步验证了电容缓冲软开关电路的性能，且与理论分析结果一致。

4 结论
    研究设计了一种用于燃料电池车的新型电容缓冲软开关大功率Boost变换器，该变换器采用电容缓冲软开关电路，大大减小了主功率管的关断损耗，同时采用零反向恢复碳化硅二极管，减小了主功率管导通损耗。与软开关变换器不同，电容缓冲软开关电路省去了笨重的附加电感，仅附加了两个绝缘栅双极型晶体管、两个二极管和一个电容。该变换器电路设计简单，控制容易，体积小，重量轻，效率高，非常适用于燃料电池车、蓄电池电动车及不间断电源系统。