CN1710793A - 燃料电池客车用升压型大功率dc/dc变换器柔性换流电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池客车用升压型大功率DC/DC变换器柔性换流电路，它是由功率二极管D₁、功率二极管D₂、电感L₁和电容C₁构成柔性换流电路，在功率开关管T的漏极D串联有功率二极管D₁、功率二极管D₂和电感L₁，电感L₁联接在输出电压端的正极上，在功率二极管D₁的阴极和输出电压端的负极并联有电容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高和二极管D_O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、二极管D_O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

燃料电池客车用升压型大功率DC/DC变换器柔性换流电路

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用升压型大功率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，u_in为输入电压，U_o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，u_in的电流流过电感L并线性增加，电能以磁能形式存储在电感线圈中，电感L和功率开关管T构成回路，此时由于二极管D₀的阳极接负，二极管D₀处于截止状态；当功率开关管T由导通转为截止时，存储在电感L中的能量释放出来，通过二极管D₀向电容C充电，此时电感L、二极管D₀和电容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u_in向u_o的升压传递(u_o≥u_in)，电路的输出电压 $U_o=\frac{1}{1-\mathrm{\δ}}{U}_{\mathrm{in}},$ 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与二极管D₀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和二极管D₀是交替导通的，在功率开关管T和二极管D₀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，在二极管D₀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，二极管D₀由导通转为截止的过程中，由于二极管D₀反向导通恢复时间的原因，二极管D₀相当于短路状态，此时，由功率开关管T、二极管D₀和电容C构成回路，相当于电容C直接短路，并且由于输出电容C上的电压达400V～500V，此时将在功率开关管T和二极管D₀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二极管D₀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中的二极管D₀串接一小型电感L₀，这样当功率开关管T由截止转为导通而二极管D₀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、二极管D₀、电感L₀和电容C构成回路，电感L₀将起到限流作用，即限制通过二极管D₀上产生的电流变化率di/dt和电流尖峰，合适的选择电感L₀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，由于电感L₀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，在输入电压端的正极串联有电感L、功率二极管D₀和电感L₀，在电感L与功率二极管D₀之间对输入电压端的负极并联有功率开关管T，在电感L₀的输出端和输出电压端的负极并联有电容C，电源的输出端的负极与输入电压端的负极共地，其在功率开关管T的漏极D串联有功率二极管D₁、功率二极管D₂和电感L₁，电感L₁联接在输出电压端的正极上，在功率二极管D₁的阴极和输出电压端的负极并联有电容C₁，功率二极管D₁、功率二极管D₂、电感L₁和电容C₁构成柔性换流电路。

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功率二极管D₀上产生过高的电流尖峰电流变化率di/dt≤80A/微秒，使功率二极管D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，功率二极管D₀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：通过增加电感L₁、电容C₁、二极管D₁和二极管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，而且也解决了二极管D₀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、二极管D₀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，所述柔性换流电路由功率二极管D₁、功率二极管D₂、电感L₁和电容C₁构成。在输入电压端的正极串联有电感L、功率二极管D₀和电感L₀，在电感L与功率二极管D₀之间对输入电压端的负极并联有功率开关管T，在电感L₀的输出端和输出电压端的负极并联有电容C，电源的输出端的负极与输入电压端的负极共地，其在功率开关管T的漏极D串联有功率二极管D₁、功率二极管D₂和电感L₁，电感L₁联接在输出电压端的正极上，在功率二极管D₁的阴极和输出电压端的负极并联有电容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，该拓扑结构除保留电感L₀外，还增加由二极管D₁、电容C₁、二极管D₂、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，相对于电感L、二极管D₀、电感L₀和电容C构成的回路，电感L、二极管D₁和电容C₁构成回路的阻抗最小，此时输入电流I由功率开关管T换流至二极管D₁并对电容C₁充电，电流大小为I₁，由于电容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；随着电容C₁电压逐渐升高，电流I₁将逐渐减小，同时电流I₀从零开始增加。由于整个辅助回路二极管D₁、二极管D₂、电感L₁和电容C的阻抗较大，经过一段时间后，电流I₁将下降至零，所有电流全部从二极管D₀、电感L₀流过，为加快这一过程，还特将电感L₀设计为饱和式电感，这样完成功率开关管T与二极管D₀的换流过程，电容C₁上的电量将通过二极管D₂、电感L₁放电到电容C，基本维持与电容C同样的电压值，为下一次的功率开关管T、二极管D₀换流做好准备。

当功率开关管T由截止转为导通时，尽管二极管D₀存在反向恢复的问题，但由于电感L₀的存在，将使二极管D₀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，解决了对二极管D₀的保护。

Claims (3)

1、一种燃料电池客车用升压型大功率DC/DC变换器柔性换流电路，在输入电压端的正极串联有电感L、功率二极管D₀和电感L₀，在电感L与功率二极管D₀之间对输入电压端的负极并联有功率开关管T，在电感L₀的输出端和输出电压端的负极并联有电容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串联有功率二极管D₁、功率二极管D₂和电感L₁，电感L₁联接在输出电压端的正极上，在功率二极管D₁的阴极和输出电压端的负极并联有电容C₁，功率二极管D₁、功率二极管D₂、电感L₁和电容C₁构成柔性换流电路。

2、根据权利要求1所述的燃料电池客车用升压型大功率DC/DC变换器柔性换流电路，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，功率二极管D₀上产生的电流变化率di/dt≤80A/微秒。

3、根据权利要求1所述的燃料电池客车用升压型大功率DC/DC变换器柔性换流电路，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，功率二极管D₀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。

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