CN1877953A - 燃料电池大功率dc/dc变换器专用pwm脉宽调制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池大功率DC/DC变换器专用PWM脉宽调制电路。该专用PWM脉宽调制电路主要由PWM调节器、逐周峰值电流控制电路、燃料电池输出功率自动跟踪控制电路、燃料电池输出均值电压比例控制电路、燃料电池输出均值电流比例控制电路、DC/DC变换器输出电压、电流控制电路和升压二极管反向恢复电荷控制电路组成。PWM调节器根据燃料电池输出电压、电流、功率、DC/DC输出端电流、电压的变化随时调整输出的PWM脉冲的宽度，从而，既满足燃料电池汽车动力系统对电源的要求，同时将燃料电池输出电流、电压和功率限制在实际输出能力之内。
Description
技术领域
本发明涉及一种PWM脉宽调制电路，具体地说，本发明涉及一种专用于燃料电池汽车大功率DC/DC变换器的专用PWM脉宽调制电路。
背景技术
为应付化石能源的日益枯竭，化石能源的大量使用对环境的严重污染的挑战，各工业国家已将开发可替代能源和清洁能源列为可持续发展的战略重点。氢能作为一种可再生清洁能源，已引起各国高度重视。我国政府已将氢能的开发和利用列入国家中长期发展战略重点。在国家十五“863”电动汽车重大专项的支持下，我国以氢为燃料的燃料电池汽车关键技术开发得到飞速发展。大功率燃料电池DC/DC变换器是燃料电池汽车的关键部件，已经列入国家十五“863”电动汽车重大专项的重大关键技术。
大功率燃料电池DC/DC变换器的主要功能是：将不稳定的燃料电池输出的电源，变换成能够适应燃料电池汽车动力系统要求的稳定电源。对于功率混合型和能量混合型燃料电池汽车，肩负着能量/或功率混合任务。
如图1所示，DC/DC变换器主要由：嵌入式微控制器ECU、功率驱动电路、由IGBT大功率开关管构成的变流电路和控制变流电路中的IGBT开关管导通/关闭的PWM脉冲宽度调制电路构成。
由于燃料电池汽车用DC/DC变换器具有其特殊的技术要求，如：DC/DC变换器输入端、输出端电压变化大、工作状态不稳定，不仅要求输出端要达到燃料电池汽车动力系统的要求，输入端也必须达到燃料电池输出限值的要求。而，现有各种高频开关电源控制电路，都是根据其特定应用领域设计的，其优良的控制特性只能在其设计目标应用电路中体现出来。到目前为止，还没有一款针对大功率燃料电池汽车DC/DC变换器设计的控制电路。
发明内容
鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种专用于燃料电池汽车大功率DC/DC变换器的专用PWM脉宽调制电路。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种燃料电池大功率DC/DC变换器专用PWM脉宽调制电路，其特征在于：它主要由PWM调节器、逐周峰值电流控制电路、燃料电池输出功率自动跟踪控制电路、燃料电池输出均值电压比例控制电路、燃料电池输出均值电流比例控制电路、DC/DC变换器输出电压、电流控制电路、升压二极管反向恢复电荷控制电路构成；
所述PWM调节器的时钟信号输入端与错位时钟发生器的输出端相连；
PWM调节器的控制端分别与逐周峰值电流控制电路的信号输出端、燃料电池输出均值电压比例控制电路的信号输出端、燃料电池输出均值电流比例控制电路的信号输出端、DC/DC变换器输出电流控制电路的信号输出端、DC/DC变换器输出电压控制电路的信号输出端和升压二极管反向恢复电荷控制电路的信号输出端相连；PWM调节器的PWM信号输出端通过驱动电路与被控IGBT控制端相连。
所述逐周峰值电流控制电路、燃料电池输出功率自动跟踪控制电路、DC/DC变换器输出电压、电流控制电路和升压二极管反向恢复电荷控制均为闭环控制电路。
本发明燃料电池DC/DC变换器专用PWM脉宽调制电路的特点是：PWM脉宽调制电路直接由错位时钟发生电路提供时钟，具有错位并联、逐周峰值电流控制、燃料电池输出功率跟踪控制、输出电压比例控制、输出电流比例控制和升压二极管反向恢复电荷控制五个闭环控制电路。
附图说明
图1为燃料电池汽车用大功率DC/DC变换器内部电路原理图
图2为本发明燃料电池大功率DC/DC变换器专用PWM脉宽调制电路的原理框图
具体实施方式对于燃料电池汽车大功率DC/DC变换器来说，最佳选择电路是Boost电路或其拓展电路，由于构成燃料电池大功率DC/DC变换器的Boost电路或其拓展电路的峰值电流比较大，如最大功率为170KW/350V的DC/DC变换器，其最小峰值电流为：
170000÷350×8＝3886A
从上式可以看出，若不采取特殊技术措施，DC/DC变换器输出的峰值电流很大，会带来一系列技术问题，如造成对尖峰电压敏感的器件的损坏。
为此，本发明公开的专用PWM脉宽调制电路采用错位并联设计，直接由错位时钟发生电路提供时钟信号。
当燃料电池大功率DC/DC变换器采用错位并联设计的专用PWM脉宽调制电路控制时，其输出的峰值电流可控制在：
P÷Vmin×8÷N
式中：P：输入功率
Vmin：最低输入电压
N：并联单元数
假如采用四路错位并联设计，同样为170KW/350V的DC/DC变换器，其最小峰值电流变为：
170000÷350×8÷4＝971A
从上面简单分析可以看出，采用错位并联技术，可以大幅度降低峰值电流和纹波电流，在大功率DC/DC变换器设计中具有重大意义。
图2为本发明燃料电池大功率DC/DC变换器专用PWM脉宽调制电路的原理框图。如图所示，该专用PWM脉宽调制电路主要由PWM调节器、逐周峰值电流控制电路、燃料电池输出功率自动跟踪控制电路、燃料电池输出均值电压比例控制电路、燃料电池输出均值电流比例控制电路、DC/DC变换器输出电压、电流控制电路、升压二极管反向恢复电荷控制电路组成。其中：
1、PWM调节器主要是产生用于控制IGBT大功率开关管导通/关端的PWM脉冲。
2、逐周峰值电流控制电路主要是控制DC/DC变换器中各并联IGBT开关管的峰值电流。
该逐周峰值电流控制电路主要由比较器电路构成，比较器电路的一个输入端与检测IGBT峰值电流的传感器的输出端相连，比较器的另一个输入端与参考电压相连，比较器的输出端与PWM调节器的控制端相连，该电路为一闭环控制电路。
当IGBT开关管输出的峰值电流高过设定值时，通过峰值电流闭环控制电路，使PWM调节器输出的PWM脉冲宽度变窄，将IGBT开关管的峰值电流限制在设定值范围内。
由于用于电动汽车的大功率DC/DC变换器的负载变化范围大，运行于燃料电池最大功率的几率频繁，为了保证燃料电池的安全，专用于燃料电池DC/DC变换器的PWM脉宽调制电路必须采用电流控制响应速度快的控制模式，逐周峰值电流限制模式即具有最佳响应速度和最理想的峰值电流限制能力，具有理想的动态电流快速响应特性，并提高了系统的过电流保护能力。
3、燃料电池输出功率自动跟踪控制电路主要是保证将燃料电池输出功率限制在燃料电池实际输出能力范围内。
将燃料电池恒功率控制特性作为一个独立的闭环，集成在控制电路硬件内，是本发明专用PWM脉宽调制电路的又一个显著特点。采用模拟硬件闭环控制可大大提高功率跟踪的响应速度、可靠性和抗骚扰能力，并能可靠地将燃料电池的输出功率限制在实际输出功率能力1％的范围之内，为燃料电池的安全运行和系统稳定提供了一个有效的保障措施。
如图2所示，本发明是通过燃料电池输出均值电压比例控制电路和燃料电池输出均值电流比例控制电路对燃料电池的输出电压、电流进行控制，从而，实现对燃料电池输出功率的自动跟踪控制。
燃料电池输出均值电压比例控制电路主要由比较器电路构成，比较器电路的一个输入端与检测燃料电池输出电压的传感器的输出端相连，比较器的另一个输入端与参考电压相连，比较器的输出端与PWM调节器的控制端相连。
燃料电池输出均值电流比例控制电路主要由自动并联控制电路、软启动电路、软关端电路和比较器电路构成。检测燃料电池输出电流的传感器的输出端通过自动并联控制电路、软启动电路与比较器电路的一个输入端相连，关闭控制端通过软关断电路与比较器电路的另一个输入端相连，同时关闭控制端还与软启动电路的控制端相连，比较器电路的输出端与PWM调节器的控制端相连。
当燃料电池的输出电压或电流或功率大于设定值时，燃料电池输出均值电压比例控制电路和燃料电池输出均值电流比例控制电路就会输出控制信号，使PWM调节器输出的PWM脉冲宽度变窄，通过调节IGBT开关管的导通时间，使燃料电池的输出功率限制在燃料电池实际输出能力范围内。
4、DC/DC变换器输出电压控制电路主要是使DC/DC变换器输出的电压稳定。
前述的逐周峰值电流控制电路虽然具有动态响应快，峰值电流控制准确可靠的优点，但是它电压稳定性差，不能使燃料电池DC/DC变换器输出电压达到燃料电池汽车动力系统对电压稳定度的要求。为此，本发明将输出均值电压比例控制电路作为一闭环电路集成在控制电路中，用以满足使燃料电池DC/DC变换器输出电压达到优于1％稳定度要求。
如图所示，DC/DC变换器输出电压控制电路主要由PID调节器和比较器电路构成，比较器电路的一个信号输入端与检测DC/DC变换器输出电压的传感器的信号输出端相连，DC/DC变换器的嵌入式微控制器ECU输出的控制信号经D/A转换、PID调节器处理后与比较器电路的另一个信号输入端相连，比较器电路的信号输出端与PWM调节器的控制端相连。
当DC/DC变换器的输出电压波动较大时，DC/DC变换器输出电压控制电路就会输出控制信号，使PWM调节器输出的PWM脉冲宽度变窄，通过调节IGBT开关管的导通时间，使DC/DC变换器的输出电压稳定在设定范围内。
5、DC/DC变换器输出电流控制电路主要是使DC/DC变换器输出的电流稳定。
前述的逐周峰值电流控制电路虽然具有动态响应快的优点，但其输出电流稳定度同样较差，不能使燃料电池DC/DC变换器输出的均值电流稳定度满足燃料电池汽车动力系统电流稳定性的要求。为此，本发明将输出均值电流比例控制电路作为一闭环电路集成在控制电路中，用以满足使燃料电池DC/DC变换器输出电流达到稳定性的要求。
如图所示，DC/DC变换器输出电流控制电路主要由PID调节器和比较器电路构成，比较器电路的一个信号输入端与检测DC/DC变换器输出电流的传感器的信号输出端相连，DC/DC变换器的嵌入式微控制器ECU输出的控制信号经D/A转换、PID调节器处理后与比较器电路的另一个信号输入端相连，比较器电路的信号输出端与PWM调节器的控制端相连。
当DC/DC变换器的输出电流波动较大时，DC/DC变换器输出电流控制电路就会输出控制信号，使PWM调节器输出的PWM脉冲宽度变窄，通过调节IGBT开关管的导通时间，使DC/DC变换器的输出电流稳定在设定范围内。
6、升压二极管反向恢复电荷控制电路主要解决升压二极管反向恢复电荷对DC/DC变换器内的IGBT开关管的负面影响。
制约大功率DC/DC变换器Boost电路功率提高的主要因素之一是升压二极管反向恢复电荷对开关管的负面影响。若不能有效地解决升压二极管反向恢复电荷对开关管的负面影响问题，将极大地限制DC/DC变换器功率的提升。虽然采用有源缓冲电路可以改善该问题，但是会增加功率器件、控制电路的体积，对于专用于燃料电池DC/DC变换器的PWM脉宽调制电路来说不是一个好的选择。
本发明在燃料电池DC/DC变换器专用PWM脉宽调制电路中集成了闭环升压二极管反向恢复电荷控制电路，无需有源缓冲电路，就较好地解决了升压二极管反向恢复电荷对开关管的负面影响问题。如600A的IGBT最大峰值电流为1200A，采用本发明升压二极管反向恢复电荷控制电路，在没有增加其他缓冲功率器件的情况下，可以使IGBT安全地工作在峰值电流1000A以下。
如图3所示，上述各部分的连接关系如下：PWM调节器的时钟信号输入端与错位时钟发生器的输出端相连；PWM调节器的控制端分别与逐周峰值电流控制电路的信号输出端、燃料电池输出均值电压比例控制电路的信号输出端、燃料电池输出均值电流比例控制电路的信号输出端、DC/DC变换器输出电流控制电路的信号输出端、DC/DC变换器输出电压控制电路的信号输出端和升压二极管反向恢复电荷控制电路的信号输出端相连；PWM调节器的PWM信号输出端通过驱动电路与被控IGBT控制端相连。
PWM调节器根据燃料电池输出电压、电流、功率和DC/DC变换器输出端动力母线电流、电压的变化随时调整输出的PWM脉冲的宽度，从而，既满足燃料电池动力系统对电源的要求，同时也确保燃料电池输出电压、电流和功率限制在最大实际输出能力之内。
纵上所述，本发明燃料电池DC/DC变换器专用PWM脉宽调制电路的特点是：PWM脉宽调制电路直接由错位时钟发生电路提供时钟，具有错位并联、逐周峰值电流控制、燃料电池输出功率跟踪控制、输出电压比例控制、输出电流比例控制和升压二极管反向恢复电荷控制五个闭环控制电路。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，本实用新型的保护范围并不局限于此。任何基于本实用新型技术方案上的等效变换均属于本实用新型保护范围之内。
Claims (2)
1、一种燃料电池大功率DC/DC变换器专用PWM脉宽调制电路，其特征在于：它主要由PWM调节器、逐周峰值电流控制电路、燃料电池输出功率自动跟踪控制电路、燃料电池输出均值电压比例控制电路、燃料电池输出均值电流比例控制电路、DC/DC变换器输出电压、电流控制电路、升压二极管反向恢复电荷控制电路构成；
所述PWM调节器的时钟信号输入端与错位时钟发生器的输出端相连；
PWM调节器的控制端分别与逐周峰值电流控制电路的信号输出端、燃料电池输出均值电压比例控制电路的信号输出端、燃料电池输出均值电流比例控制电路的信号输出端、DC/DC变换器输出电流控制电路的信号输出端、DC/DC变换器输出电压控制电路的信号输出端和升压二极管反向恢复电荷控制电路的信号输出端相连；PWM调节器的PWM信号输出端通过驱动电路与被控IGBT控制端相连。
2、根据权利要求1所述的一种燃料电池大功率DC/DC变换器专用PWM脉宽调制电路，其特征在于：所述逐周峰值电流控制电路、燃料电池输出功率自动跟踪控制电路、DC/DC变换器输出电压、电流控制电路和升压二极管反向恢复电荷控制电路均为闭环控制电路。
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| CN113098261A (zh) * | 2021-04-06 | 2021-07-09 | 佛山仙湖实验室 | 一种混合动力汽车可调式大功率dc/dc变换器的控制方法 |
| US11088376B2 (en) | 2018-11-22 | 2021-08-10 | Industrial Technology Research Institute | Controlling method and device of fuel cell system with multiple stack towers |
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2005
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