燃料電池客車用降壓型大功率dc/dc變換器柔性換流電路的製作方法

2023-10-05 12:51:44 3

專利名稱：燃料電池客車用降壓型大功率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降壓型大功率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。
常規的降壓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Buck降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。Buck變換器的原理圖如圖1所示。在圖1中，uin為輸入電壓，也是電容C兩端電壓，Uo是降壓電路的輸出電壓。該電路的工作過程如下當功率開關管T導通時，電流經負載、電感L流過功率開關管T併線性增加，電能以磁能形式存儲在電感線圈L中，同時給負載供電，電容C、負載、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續流，維持向負載供電，電感L、二極體D0和負載構成迴路。若周期性地控制功率開關管T的導通與關閉，即可實現能量由輸入電壓Uin向輸出電壓Uo的降壓傳遞(Uo≤Uin)，電路的輸出電壓Uo＝δUin，其中δ為功率開關管T的導通佔空比。為達到上述降壓傳遞，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DC/DC變換器變換傳遞的功率大(100kW以上)，輸出電壓達300V～400V，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、二極體D0是交替導通的，在功率開關管T、二極體D0換流過程中，將在功率開關管T上產生很大的電壓變化率du/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在反向恢復時刻，相當於瞬時處於短路狀態，此時，由電容C、二極體D0和功率開關管T構成迴路，相當於輸入端直接短路，並且由於輸入端的電壓達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快恢復二極體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Buck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降壓型大功率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，此時電容C、電感L0、二極體D0和功率開關管T構成迴路，電感L0將起到限流作用，即限制電流變化率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的運行安全性。

發明內容
為解決常規降壓型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Buck降壓型DC/DC變換器柔性換流電路的拓撲結構，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降壓型大功率DC/DC變換器的柔性換流電路，在輸入電壓端的負極串聯有功率開關管T、電感L，在電感L的輸出端和輸出電壓的正極並聯有負載，在功率開關管T與電感L之間與輸入電壓端的正極並聯有串聯連接的二極體D0和電感L0，在電源的輸入端正負極之間並聯有電容C，電源的輸出端正極與輸入端正極連接在一起，在功率開關管T的漏極D串聯有二極體D1、二極體D2和電感L1，電感L1聯接在輸入電壓端的正極上，在二極體D1的陰極和輸入電壓端的負極並聯有電容C1，二極體D1、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降壓型大功率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兩端產生的電壓變化率dv/dt≤200V/微秒，二極體D0上產生的電流變化率di/dt≤80A/微秒。
所述的燃料電池客車用降壓型大功率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入電壓的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出電流的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，不僅解決了功率開關管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Buck降壓變換器電路拓撲中的功率開關管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Buck降壓變換器電路。
圖2是改進現有技術中串接限流電感的Buck降壓變換器電路。
圖3是本發明的柔性換流Buck降壓變換器電路拓撲。
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降壓型大功率DC/DC變換器的柔性換流電路，在輸入電壓端的負極串聯有功率開關管T、電感L，在電感L的輸出端和輸出電壓的正極並聯有負載，負載聯接在輸出電壓端的正極上，在功率開關管T與電感L之間與輸入電壓端的正極並聯有串聯連接的二極體D0和電感L0，在電源的輸入端正負極之間並聯有電容C，電源的輸出端正極與輸入端正極連接在一起，在功率開關管T的漏極D串聯有二極體D1、二極體D2和電感L1，電感L1聯接在輸入電壓端的正極上，在二極體D1的陰極和輸入電壓端的負極並聯有電容C1；二極體D1、二極體D2、電感L1和電容C1構成柔性換流電路。
在本發明中，在功率開關管T與電感L之間與輸入電壓端的正極並聯有兩個支路，支路一為二極體D0和電感L0串聯；支路二為二極體D1、二極體D2和電感L1串聯，並且在二極體D1的陰極和輸入電壓端的負極並聯有電容C1。
為了解決常規Buck降壓型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，其工作原理如下在功率開關管T正常導通時，流過功率開關管T的電流即輸入電流，大小為I，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、負載迴路，電感L、二極體D1、電容C1、電容C、負載迴路的阻抗最小，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，對功率開關管T的漏極D和源極S兩端電壓可加以適當的抑制，減小了功率開關管T的漏極D和源極S兩端的電壓尖峰和電壓變化率dv/dt，即功率開關管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入電壓的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I0從零開始增加。由於整個輔助迴路二極體D1、電容C1、二極體D2、電感L1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，電容C1兩端的電壓基本維持與Uin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上的電流尖峰和電流變化率di/dt被抑制在較小的範圍內，即功率二極體D0上產生的電流尖峰小於DC/DC變換器主電路額定輸入輸出電流的1/6，且二極體D0上產生的電流變化率di/dt≤80A/微秒；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大的問題。
權利要求
1.一種燃料電池客車用降壓型大功率DC/DC變換器柔性換流電路，在輸入電壓端的負極串聯有功率開關管T、電感L，在電感L的輸出端和輸出電壓的正極並聯有負載，在功率開關管T與電感L之間與輸入電壓端的正極並聯有串聯連接的二極體D0和電感L0，在電源的輸入端正負極之間並聯有電容C，電源的輸出端正極與輸入端正極連接在一起，其特徵在於在功率開關管T的漏極D串聯有二極體D1、二極體D2和電感L1，電感L1連接在輸入電壓端的正極上，在二極體D1的陰極和輸入電壓端的負極並聯有電容C1，二極體D1、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降壓型大功率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，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降壓型大功率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入電壓的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出電流的1/6。
全文摘要
本發明公開了一種燃料電池客車用降壓型大功率DC/DC變換器柔性換流電路，它由二極體D
文檔編號H02M3/10GK1710792SQ200510080469
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