燃料電池客車用升壓型大功率dc/dc變換器柔性換流電路的製作方法

2023-10-05 12:44:34 1

專利名稱：燃料電池客車用升壓型大功率dc/dc變換器柔性換流電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種DC/DC變換器主電路的拓樸結構，具體地說，是指一種適用於燃料電池客車用升壓型大功率DC/DC變換器的柔性換流電路。
背景技術：
在燃料電池客車中，大功率DC/DC變換器是實現能量轉換、傳遞、電壓電流及功率控制的關鍵執行部件。考慮到燃料電池汽車應用的特殊性，對變換器的設計有如下特別要求大功率、高效率、體積小、質量輕，所以變換器的主電路拓撲在滿足上述要求的基礎上儘量簡單、實用、可靠。
常規的升壓DC/DC變換器主電路形式有多種方式，根據燃料電池客車中的配置要求，其中Boost升壓變換器以其變換效率高的特點，是首選的DC/DC變換電路拓撲結構之一。Boost變換器的原理圖如圖1所示。在圖1中，uin為輸入電壓，Uo為電容C兩端電壓，也是升壓電路的輸出電壓。該電路的工作過程如下當功率開關管T導通時，uin的電流流過電感L併線性增加，電能以磁能形式存儲在電感線圈中，電感L和功率開關管T構成迴路，此時由於二極體D0的陽極接負，二極體D0處於截止狀態；當功率開關管T由導通轉為截止時，存儲在電感L中的能量釋放出來，通過二極體D0向電容C充電，此時電感L、二極體D0和電容C構成迴路。若周期性地控制功率開關管T的導通與關閉，即可實現能量由uin向uo的升壓傳遞(uo≥uin)，電路的輸出電壓Uo=11-Uin,]]>其中δ為功率開關管T導通佔空比。為達到上述升壓傳遞，功率開關管T與二極體D0必須輪流導通與關斷，二者之間將頻繁的進行換流。在燃料電池客車中，由於升壓型DC/DC變換器變換傳遞的功率大(100kW以上)，輸出電壓達400V～500V，流過功率開關管T的電流達幾百安培。在這種工作條件下，功率開關管T和二極體D0是交替導通的，在功率開關管T和二極體D0換流過程中，將在功率開關管T上將產生很大的電壓變化率dv/dt，在二極體D0上產生很大的電流變化率di/dt，特別是當功率開關管T由截止轉為導通，二極體D0由導通轉為截止的過程中，由於二極體D0反嚮導通恢復時間的原因，二極體D0相當於短路狀態，此時，由功率開關管T、二極體D0和電容C構成迴路，相當於電容C直接短路，並且由於輸出電容C上的電壓達400V～500V，此時將在功率開關管T和二極體D0上產生並流過很大的電流尖峰，產生很大的電流變化率di/dt，這種很大的電流變化率di/dt與電流尖峰值不僅造成嚴重的電磁幹擾問題，更嚴重的是它將造成二極體D0的失效損壞，從而造成整個變換電路的故障。這種失效現象是目前Boost電路中的一個常見現象，尤其在大功率高電壓輸出DC/DC變換器中更容易發生，如何解決上述問題是目前升壓型大功率DC/DC變換器中的技術難點之一。
為抑制因反向恢復時間產生的電流尖峰，可採用在圖1中的二極體D0串接一小型電感L0，這樣當功率開關管T由截止轉為導通而二極體D0由導通轉為截止時，儘管存在反向恢復問題，此時功率開關管T、二極體D0、電感L0和電容C構成迴路，電感L0將起到限流作用，即限制通過二極體D0上產生的電流變化率di/dt和電流尖峰，合適的選擇電感L0的值可以獲得良好的效果(電路原理圖如圖2所示)。但該電路又帶來了另外的問題，即當功率開關管T由導通轉為截止時，由於電感L0的存在，將使得在功率開關管T的漏極D和源極S兩端產生過高的電壓尖峰和電壓變化率dv/dt，從而危及功率開關管T的運行安全性。

發明內容
為解決常規升壓型DC/DC變換器主電路的缺點以及限流電感帶來的副作用，本發明提供了一種新型Boost升壓型DC/DC變換器柔性換流電路，通過在功率開關管T的漏極D串聯一柔性換流電路實現功率開關管T安全工作。
本發明的一種燃料電池客車用升壓型大功率DC/DC變換器的柔性換流電路，在輸入電壓端的正極串聯有電感L、功率二極體D0和電感L0，在電感L與功率二極體D0之間對輸入電壓端的負極並聯有功率開關管T，在電感L0的輸出端和輸出電壓端的負極並聯有電容C，電源的輸出端的負極與輸入電壓端的負極共地，其在功率開關管T的漏極D串聯有功率二極體D1、功率二極體D2和電感L1，電感L1聯接在輸出電壓端的正極上，在功率二極體D1的陰極和輸出電壓端的負極並聯有電容C1，功率二極體D1、功率二極體D2、電感L1和電容C1構成柔性換流電路。
所述的燃料電池客車用升壓型大功率DC/DC變換器的柔性換流電路，其功率開關管T的漏極D和源極S兩端產生過高的電壓尖峰的電壓變化率dv/dt≤200V/微秒，使功率開關管T安全工作；所述柔性換流電路防止功率二極體D0上產生過高的電流尖峰電流變化率di/dt≤80A/微秒，使功率二極體D安全工作。所述的燃料電池客車用升壓型大功率DC/DC變換器的柔性換流電路，其功率開關管T的漏極D和源極S兩端產生的電壓尖峰小於DC/DC變換器主電路額定輸出電壓的1/4，功率二極體D0上產生的電流尖峰小於DC/DC變換器主電路額定輸入電流的1/6。
本發明柔性換流電路的優點通過增加電感L1、電容C1、二極體D1和二極體D2器件，不僅解決了主功率器件開關管T上產生的電壓尖峰和電壓變化率dv/dt，而且也解決了二極體D0上較大的電流尖峰和電流變化率di/dt。本發明柔性換流電路克服了常規Boost升壓變換器電路拓撲中的主功率器件開關管T、二極體D0的壽命短、可靠性差等缺點，還減小了系統的電磁幹擾，提高了電路的工作安全性和可靠性。


圖1是現有技術中常規的Boost升壓變換器電路。
圖2是改進現有技術中串接限流電感的Boost升壓變換器電路。
圖3是本發明的柔性換流Boost升壓變換器電路拓撲。
具體實施例方式
下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
本發明是一種燃料電池客車用升壓型大功率DC/DC變換器的柔性換流電路，所述柔性換流電路由功率二極體D1、功率二極體D2、電感L1和電容C1構成。在輸入電壓端的正極串聯有電感L、功率二極體D0和電感L0，在電感L與功率二極體D0之間對輸入電壓端的負極並聯有功率開關管T，在電感L0的輸出端和輸出電壓端的負極並聯有電容C，電源的輸出端的負極與輸入電壓端的負極共地，其在功率開關管T的漏極D串聯有功率二極體D1、功率二極體D2和電感L1，電感L1聯接在輸出電壓端的正極上，在功率二極體D1的陰極和輸出電壓端的負極並聯有電容C1。
為了解決常規Boost升壓型DC/DC變換器主電路的缺點以及限流電感帶來的副作用，在本發明專利申請中，提出了的柔性換流拓撲結構(如圖3所示)。圖3同圖2相比，該拓撲結構除保留電感L0外，還增加由二極體D1、電容C1、二極體D2、電感L1等器件組成的輔助迴路，其工作原理如下當功率開關管T由導通轉為截止時，相對於電感L、二極體D0、電感L0和電容C構成的迴路，電感L、二極體D1和電容C1構成迴路的阻抗最小，此時輸入電流I由功率開關管T換流至二極體D1並對電容C1充電，電流大小為I1，由於電容C1的存在，可對功率開關管T的漏極D和源極S兩端電壓加以適當的抑制(功率開關管T的漏極D和源極S兩端產生的電壓尖峰小於DC/DC變換器主電路額定輸出電壓的1/4，且功率開關管T的漏極D和源極S兩端產生的電壓變化率dv/dt≤200V/微秒)，起到保護功率開關管T的作用；隨著電容C1電壓逐漸升高，電流I1將逐漸減小，同時電流I0從零開始增加。由於整個輔助迴路二極體D1、二極體D2、電感L1和電容C的阻抗較大，經過一段時間後，電流I1將下降至零，所有電流全部從二極體D0、電感L0流過，為加快這一過程，還特將電感L0設計為飽和式電感，這樣完成功率開關管T與二極體D0的換流過程，電容C1上的電量將通過二極體D2、電感L1放電到電容C，基本維持與電容C同樣的電壓值，為下一次的功率開關管T、二極體D0換流做好準備。
當功率開關管T由截止轉為導通時，儘管二極體D0存在反向恢復的問題，但由於電感L0的存在，將使二極體D0上產生的電流尖峰(電流尖峰小於DC/DC變換器主電路額定輸入電流的1/6)和電流變化率di/dt(電流變化率di/dt≤80A/微秒)被抑制在較小的範圍內；而對於柔性換流電路，此時由於二極體D1上已幾乎無電流流過，所以不存在反向恢復問題，也沒有二極體D1上的電流尖峰和電流變化率di/dt高問題，解決了對二極體D0的保護。
權利要求
1.一種燃料電池客車用升壓型大功率DC/DC變換器柔性換流電路，在輸入電壓端的正極串聯有電感L、功率二極體D0和電感L0，在電感L與功率二極體D0之間對輸入電壓端的負極並聯有功率開關管T，在電感L0的輸出端和輸出電壓端的負極並聯有電容C，電源輸出端的負極與輸入電壓端的負極共地，其特徵在於在功率開關管T的漏極D串聯有功率二極體D1、功率二極體D2和電感L1，電感L1聯接在輸出電壓端的正極上，在功率二極體D1的陰極和輸出電壓端的負極並聯有電容C1，功率二極體D1、功率二極體D2、電感L1和電容C1構成柔性換流電路。
2.根據權利要求1所述的燃料電池客車用升壓型大功率DC/DC變換器柔性換流電路，其特徵在於功率開關管T的漏極D和源極S兩端產生的電壓變化率dv/dt≤200V/微秒，功率二極體D0上產生的電流變化率di/dt≤80A/微秒。
3.根據權利要求1所述的燃料電池客車用升壓型大功率DC/DC變換器柔性換流電路，其特徵在於功率開關管T的漏極D和源極S兩端產生的電壓尖峰小於DC/DC變換器主電路額定輸出電壓的1/4，功率二極體D0上產生的電流尖峰小於DC/DC變換器主電路額定輸入電流的1/6。
全文摘要
本發明公開了一種燃料電池客車用升壓型大功率DC/DC變換器柔性換流電路，它是由功率二極體D
文檔編號H02M3/10GK1710793SQ200510080470
公開日2005年12月21日 申請日期2005年7月5日 優先權日2005年7月5日
發明者齊鉑金, 汪殿龍, 馮湧波 申請人:北京航空航天大學