CN100338860C - 用于燃料电池客车的升压型大功率dc/dc变换器的柔性换流电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于燃料电池客车的升压型大功率DC/DC变换器的柔性换流电路，它是由第二功率二极管(D₁)、第三功率二极管(D₂)、第三电感(L₁)和第二电容(C₁)构成柔性换流电路，在功率开关管(T)的漏极(D)和输出电压端的正极之间串联连接有第二功率二极管(D₁)、第三功率二极管(D₂)和第三电感(L₁)，在第二功率二极管(D₁)的阴极和输出电压端的负极并联有第二电容(C₁)。本发明的柔性换流电路解决了功率开关管(T)上产生的电压变化率dv/dt高和第一功率二极管(Do)上产生的电流变化率di/dt大的问题，克服了常规Boost升压变换器电路拓扑中的功率开关管(T)、第一功率二极管(Do)的寿命短、可靠性差等缺点，还减小了系统的电磁干扰，提高了DC/DC变换器主电路的工作安全性和可靠性。

Description

用于燃料电池客车的升压型大功率DC/DC变换器的柔性换流电路

技术领域

本发明涉及一种DC/DC变换器主电路的拓朴结构，具体地说，是指一种适用于燃料电池客车的升压型大功率DC/DC变换器的柔性换流电路。

背景技术

在燃料电池客车中，大功率DC/DC变换器是实现能量转换、传递、电压电流及功率控制的关键执行部件。考虑到燃料电池汽车应用的特殊性，对变换器的设计有如下特别要求：大功率、高效率、体积小、质量轻，所以变换器的主电路拓扑在满足上述要求的基础上尽量简单、实用、可靠。

常规的升压DC/DC变换器主电路形式有多种方式，根据燃料电池客车中的配置要求，其中Boost升压变换器以其变换效率高的特点，是首选的DC/DC变换电路拓扑结构之一。Boost变换器的原理图如图1所示。在图1中，Uin为输入电压，Uo为电容C两端电压，也是升压电路的输出电压。该电路的工作过程如下：当功率开关管T导通时，Uin的电流流过第一电感L并线性增加，电能以磁能形式存储在电感线圈中，第一电感L和功率开关管T构成回路，此时由于第一功率二极管Do的阳极接负，第一功率二极管Do处于截止状态；当功率开关管T由导通转为截止时，存储在第一电感L中的能量释放出来，通过第一功率二极管Do向第一电容C充电，此时第一电感L、第一功率二极管Do和第一电容C构成回路。若周期性地控制功率开关管T的导通与关闭，即可实现能量由Uin向Uo的升压传递(Uo≥Uin)，电路的输出电压 $\mathrm{Uo}=\frac{1}{1-\mathrm{\δ}}\mathrm{Uin},$ 其中δ为功率开关管T导通占空比。为达到上述升压传递，功率开关管T与第一功率二极管Do必须轮流导通与关断，二者之间将频繁的进行换流。在燃料电池客车中，由于升压型DC/DC变换器变换传递的功率大(100kW以上)，输出电压达400V～500V，流过功率开关管T的电流达几百安培。在这种工作条件下，功率开关管T和第一功率二极管Do是交替导通的，在功率开关管T和第一功率二极管Do换流过程中，将在功率开关管T上将产生很大的电压变化率dv/dt，在第一功率二极管Do上产生很大的电流变化率di/dt，特别是当功率开关管T由截止转为导通，第一功率二极管Do由导通转为截止的过程中，由于第一功率二极管Do反向导通恢复时间的原因，第一功率二极管Do相当于短路状态，此时，由功率开关管T、第一功率二极管Do和第一电容C构成回路，相当于第一电容C直接短路，并且由于输出第一电容C上的电压达400V～500V，此时将在功率开关管T和第一功率二极管Do上产生并流过很大的电流尖峰，产生很大的电流变化率di/dt，这种很大的电流变化率di/dt与电流尖峰值不仅造成严重的电磁干扰问题，更严重的是它将造成第一功率二极管Do的失效损坏，从而造成整个变换电路的故障。这种失效现象是目前Boost电路中的一个常见现象，尤其在大功率高电压输出DC/DC变换器中更容易发生，如何解决上述问题是目前升压型大功率DC/DC变换器中的技术难点之一。

为抑制因反向恢复时间产生的电流尖峰，可采用在图1中的第一功率二极管Do串接一小型第二电感Lo，这样当功率开关管T由截止转为导通而第一功率二极管Do由导通转为截止时，尽管存在反向恢复问题，此时功率开关管T、第一功率二极管Do、第二电感Lo和第一电容C构成回路，第二电感Lo将起到限流作用，即限制通过第一功率二极管Do上产生的电流变化率di/dt和电流尖峰，合适的选择第二电感Lo的值可以获得良好的效果(电路原理图如图2所示)。但该电路又带来了另外的问题，即当功率开关管T由导通转为截止时，由于第二电感Lo的存在，将使得在功率开关管T的漏极D和源极S两端产生过高的电压尖峰和电压变化率dv/dt，从而危及功率开关管T的运行安全性。

发明内容

为解决常规升压型DC/DC变换器主电路的缺点以及限流电感带来的副作用，本发明提供了一种新型Boost升压型DC/DC变换器的柔性换流电路，通过在功率开关管T的漏极D串联一柔性换流电路实现功率开关管T安全工作。

本发明的一种用于燃料电池客车的升压型大功率DC/DC变换器的柔性换流电路，在输入电压端的正极串联有第一电感L、第一功率二极管Do和第二电感Lo，在第一电感L与第一功率二极管Do的连接点与输入电压端的负极之间并联有功率开关管T，在第二电感Lo的输出端和输出电压端的负极并联有第一电容C，电源的输出端的负极与输入电压端的负极共地，在第一电感L与第一功率二极管Do之间、功率开关管T的漏极D和输出电压端的正极之间串联连接有第二功率二极管D₁、第三功率二极管D₂和第三电感L₁，在第二功率二极管D₁的阴极和输出电压端的负极并联有第二电容C₁，第二功率二极管D₁、第三功率二极管D₂、第三电感L₁和第二电容C₁构成柔性换流电路。

所述的用于燃料电池客车的升压型大功率DC/DC变换器的柔性换流电路，其功率开关管T的漏极D和源极S两端产生过高的电压尖峰的电压变化率dv/dt≤200V/微秒，使功率开关管T安全工作；所述柔性换流电路防止第一功率二极管Do上产生过高的电流尖峰电流变化率di/dt≤80A/微秒，使第一功率二极管Do安全工作。所述的燃料电池客车用升压型大功率DC/DC变换器的柔性换流电路，其功率开关管T的漏极D和源极S两端产生的电压尖峰小于DC/DC变换器主电路额定输出电压的1/4，第一功率二极管Do上产生的电流尖峰小于DC/DC变换器主电路额定输入电流的1/6。

本发明柔性换流电路的优点：通过增加第三电感L₁、第二电容C₁、第二功率二极管D₁和第三功率二极管D₂器件，不仅解决了主功率器件开关管T上产生的电压尖峰和电压变化率dv/dt，而且也解决了第一功率二极管Do上较大的电流尖峰和电流变化率di/dt。本发明柔性换流电路克服了常规Boost升压变换器电路拓扑中的主功率器件开关管T、第一功率二极管Do的寿命短、可靠性差等缺点，还减小了系统的电磁干扰，提高了电路的工作安全性和可靠性。

附图说明

图1是现有技术中常规的Boost升压变换器电路。

图2是改进现有技术中串接限流电感的Boost升压变换器电路。

图3是本发明的柔性换流Boost升压变换器电路拓扑。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种用于燃料电池客车的升压型大功率DC/DC变换器的柔性换流电路，所述柔性换流电路由第二功率二极管D₁、第三功率二极管D₂、第三电感L₁和第二电容C₁构成。在输入电压端的正极串联有第一电感L、第一功率二极管Do和第二电感Lo，在第一电感L与第一功率二极管Do的连接点与输入电压端的负极之间并联有功率开关管T，在第二电感Lo的输出端和输出电压端的负极并联有第一电容C，电源的输出端的负极与输入电压端的负极共地，在第一电感L与第一功率二极管Do之间、功率开关管T的漏极D和输出电压端的正极之间串联连接有第二功率二极管D₁、第三功率二极管D₂和第三电感L₁，在第二功率二极管D₁的阴极和输出电压端的负极并联有第二电容C₁。

为了解决常规Boost升压型DC/DC变换器主电路的缺点以及限流电感带来的副作用，在本发明专利申请中，提出了的柔性换流拓扑结构(如图3所示)。图3同图2相比，该拓扑结构除保留第二电感Lo外，还增加由第二功率二极管D₁、第二电容C₁、第三功率二极管D₂、第三电感L₁等器件组成的辅助回路，其工作原理如下：当功率开关管T由导通转为截止时，相对于第一电感L、第一功率二极管Do、第二电感Lo和第一电容C构成的回路，第一电感L、第二功率二极管D₁和第二电容C₁构成回路的阻抗最小，此时输入第一电流I由功率开关管T换流至第二功率二极管D₁并对第二电容C₁充电，电流大小为I₁，由于第二电容C₁的存在，可对功率开关管T的漏极D和源极S两端电压加以适当的抑制(功率开关管T的漏极D和源极S两端产生的电压尖峰小于DC/DC变换器主电路额定输出电压的1/4，且功率开关管T的漏极D和源极S两端产生的电压变化率dv/dt≤200V/微秒)，起到保护功率开关管T的作用；随着第一电容C₁电压逐渐升高，第三电流I₁将逐渐减小，同时第二电流Io从零开始增加。由于整个辅助回路第二功率二极管D₁、第三功率二极管D₂、第三电感L₁和第一电容C的阻抗较大，经过一段时间后，第三电流I₁将下降至零，所有电流全部从第一功率二极管Do、第一电感Lo流过，为加快这一过程，还特将第一电感Lo设计为饱和式电感，这样完成功率开关管T与第一功率二极管Do的换流过程，第二电容C₁上的电量将通过第三功率二极管D₂、第三电感L₁放电到第一电容C，基本维持与第一电容C同样的电压值，为下一次的功率开关管T、第一功率二极管Do换流做好准备。

当功率开关管T由截止转为导通时，尽管第一功率二极管Do存在反向恢复的问题，但由于第二电感Lo的存在，将使第一功率二极管Do上产生的电流尖峰(电流尖峰小于DC/DC变换器主电路额定输入电流的1/6)和电流变化率di/dt(电流变化率di/dt≤80A/微秒)被抑制在较小的范围内；而对于柔性换流电路，此时由于第二功率二极管D₁上已几乎无电流流过，所以不存在反向恢复问题，也没有第二功率二极管D₁上的电流尖峰和电流变化率di/dt高问题，解决了对第一功率二极管Do的保护。

Claims (3)

1、一种用于燃料电池客车的升压型大功率DC/DC变换器的柔性换流电路，在输入电压端的正极串联有第一电感(L)、第一功率二极管(Do)和第二电感(Lo)，在第一电感(L)与第一功率二极管(Do)的连接点与输入电压端的负极之间并联有功率开关管(T)，在第二电感(Lo)的输出端和输出电压端的负极并联有第一电容(C)，电源输出端的负极与输入电压端的负极共地，其特征在于：在功率开关管(T)的漏极(D)和输出电压端的正极之间串联连接有第二功率二极管(D₁)、第三功率二极管(D₂)和第三电感(L₁)，在第二功率二极管(D₁)的阴极和输出电压端的负极并联有第二电容(C₁)，第二功率二极管(D₁)、第三功率二极管(D₂)、第三电感(L₁)和第二电容(C₁)构成柔性换流电路。

2、根据权利要求1所述的用于燃料电池客车的升压型大功率DC/DC变换器的柔性换流电路，其特征在于：功率开关管(T)的漏极(D)和源极(S)两端产生的电压变化率dv/dt≤200V/微秒，第一功率二极管(Do)上产生的电流变化率di/dt≤80A/微秒。

3、根据权利要求1所述的用于燃料电池客车的升压型大功率DC/DC变换器的柔性换流电路，其特征在于：功率开关管(T)的漏极(D)和源极(S)两端产生的电压尖峰小于DC/DC变换器主电路额定输出电压的1/4，第一功率二极管(Do)上产生的电流尖峰小于DC/DC变换器主电路额定输入电流的1/6。

Images