1 引言

燃料電池車動力系統(tǒng)中常需要一個大功率DC/DC變換器將燃料電池與動力驅(qū)動系統(tǒng)及能量存儲系統(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Boost變換器結(jié)構(gòu)簡潔、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，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。

圖2示出電容緩沖軟開關(guān)Boost變換器的主要工作波形

2.2 軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)條件

可見，該軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)條件非常簡單，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)斷時間與V2，V3的導(dǎo)通時間保持同步，通過調(diào)節(jié)V1的開通時間即可調(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，不會對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，且對占空比無限制，同時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)斷時的電壓上升率。設(shè)uV1的期望上升時間為△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)計并制作了一臺開關(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600V，最大集電極電流300A，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600V，20A，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)通時間稍大于△tdes即可。V1關(guān)斷前令V2，V3控制信號有效，V2，V3的控制信號彼此互差180°。C2充電或放電后，V2，V3導(dǎo)通不會對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。

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，其端電壓上升速率減緩。圖3b為V1關(guān)斷時的詳細(xì)電壓、電流波形。可見，電容緩沖電路減小了V1的拖尾電流，減緩了V1關(guān)斷時的電壓上升率，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，僅附加了兩個絕緣柵雙極型晶體管、兩個二極管和一個電容。該變換器電路設(shè)計簡單，控制容易，體積小，重量輕，效率高，非常適用于燃料電池車、蓄電池電動車及不間斷電源系統(tǒng)。