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燃料電池車用大功率軟開關(guān)Boost變換器

作者: 時(shí)間:2013-08-22 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要:車是一種新興的清潔能源汽車,為提高大功率DC/DC效率、減小其體積和重量,提出了一種新型軟開關(guān),詳細(xì)分析了該的工作原理,研制了20 kW實(shí)驗(yàn)樣機(jī),結(jié)果表明該新型軟開關(guān)變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良,非常適用于車、蓄電池電動(dòng)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(chǎng)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(dòng)力系統(tǒng)中常需要一個(gè)大功率DC/DC變換器將燃料電池與動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及能量存儲(chǔ)系統(tǒng)連接以實(shí)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),非隔離變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)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(shí),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(duì)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(shí)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(jiǎn)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(duì)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(shí)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。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/196141.htm

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圖2示出電容緩沖軟開關(guān)Boost變換器的主要工作波形。

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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(gè)開關(guān)周期中,其電流基本保持IL1不變;③C1足夠大,在一個(gè)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(gè)軟開管工作周期可分為以下8個(gè)狀態(tài):
狀態(tài)1(t0~t1) t0時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)刻將開始下一個(gè)軟開關(guān)工作過程。
2.3 軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)條件
由以上分析可見,該軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)條件非常簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)C2充電(V3導(dǎo)通)和放電(V2導(dǎo)通),V1關(guān)斷時(shí)間與V2,V3的導(dǎo)通時(shí)間保持同步,通過調(diào)節(jié)V1的開通時(shí)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(huì)對(duì)V1的占空比產(chǎn)生任何實(shí)際限制。此外,采用小容量的C2即可實(shí)現(xiàn)減小關(guān)斷損耗,小容量的C2充電速度快,且對(duì)占空比無限制,同時(shí)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(shí)的電壓上升率。設(shè)uV1的期望上升時(shí)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(shí)驗(yàn)
為全面了解電容緩沖軟開關(guān)電路,設(shè)計(jì)并制作了一臺(tái)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(jì)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(shí)驗(yàn)樣機(jī)軟開關(guān)采用微控制器ATMega128實(shí)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(hào)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(shí)間稍大于△tdes即可。V1關(guān)斷前令V2,V3控制信號(hào)有效,V2,V3的控制信號(hào)彼此互差180°。C2充電或放電后,V2,V3導(dǎo)通不會(huì)對(duì)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。

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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(shí),其端電壓上升速率減緩。圖3b為V1關(guān)斷時(shí)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(shí)的電壓上升率,從而減小了V1的關(guān)斷損耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)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(jì)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(shí)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(gè)絕緣柵雙極型晶體管、兩個(gè)二極管和一個(gè)電容。該變換器電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(dòng)車及不間斷電源系統(tǒng)。



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