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可供电动汽车驱动选用的隔离电压型/隔离电流型DC-DC变换器介绍

电子工程师 作者:工程师陈翠 2018-07-12 07:15 次阅读

现如今电动汽车的研发和设计正逐渐升温,尤其是在带你东汽车燃料电池驱动系统的设计方面,DC-DC变换器的选择至关重要。只有最合适的DC-DC变换器才能满足燃料电池分布式并网发电系统的需求。本文就详细探讨了一下几种可供电动汽车驱动选用的DC-DC变换器。

隔离电压型DC-DC变换器

隔离电压型的DC-DC变换器是目前比较常见的变换器类型之一,这一大类型中又可以分为半桥、全桥两种小分类,下面我们来分别进行介绍。首先来看电压型半桥DC-DC变换器,这种变换器的电路结构如下图图1所示。半桥变换器具有电路简单,而且与推挽和全桥相比,可利用输入电容的充、放电特性自动调整两个输入电容上的电压,使变压器在工作周期的正、负半周伏-秒平衡,因此在中大功率范围内受到青睐。

可供电动汽车驱动选用的隔离电压型/隔离电流型DC-DC变换器介绍

图1 电压型半桥DC-DC变换器电路结构

接下来我们再来看一下电压型全桥DC-DC变换器的特点。这种全桥DC-DC变换器的电路结构如下图图2所示。在实际的应用过程中,这种变换器具有开关管器件电压应力、电流应力较小,高频功率变压器的利用率高等优点。而且全桥DC-DC变换器适合做软开关管控制,减小变换器中的开关管损耗提高转化效率。如图3所示为一种三相全桥DC-DC变换器结构,三相的结构将电流、损耗均分到每相中,适合大功率DC-DC变换。同时三相全桥中的开关管也可以获得软开关管工作条件。可以说,电压型的DC-DC变换器是非常适合电动汽车燃料电池的分布式并网发电系统进行选用的

可供电动汽车驱动选用的隔离电压型/隔离电流型DC-DC变换器介绍

隔离电流型DC-DC变换器

在介绍了隔离电压型DC-DC变换器的两种常见类型和特点后,接下来我们来看一下隔离电流型DC-DC变换器的特点和应用情况。与电压型DC-DC变换器一样,隔离电流型变换器也同样在结构上分为全桥和半桥两种。电流型半桥DC-DC变换器如下图图4所示。因为在任何时刻,两个开关管必须保证有一个开关管是导通的,即开关管的导通占空比不能小于0.5,导致两个输入电感总是有一个处于充电状态,输入电流总是大于零,这意味着系统有一个最低输出功率的限制。

可供电动汽车驱动选用的隔离电压型/隔离电流型DC-DC变换器介绍

图4 电流型半桥DC-DC变换器电路结构

接下来我们再来看一下电流型全桥DC-DC变换器的电路结构,这种变换器的电路结构如下图图5所示。该结构电路稳定工作时候,两组对角的开关管在前后半个开关管周期内交替关断(等效为两个Boost轮流工作),将电能传送到变压器副边。通过PWM调制控制输出电压。

可供电动汽车驱动选用的隔离电压型/隔离电流型DC-DC变换器介绍

那么,电流型全桥DC-DC变换器在实际的燃料电池发电系统中的应用情况,究竟如何呢?下面我们通过一个案例来进行分析。这里我们使用一种逆阻型IGBT的电流型全桥移相DC-DC变换器作为一个5kW燃料电池的发电系统的前级,进行设计和实验,所完成的发电系统主电路如图6所示。可以看到,在这一发电系统的电路设计中,高频变压器有两个副边绕组,经整流得到两路输出电压供给后级半桥逆变器。电流型的结构没有直通短路问题的存在,有更高的可靠性。电流型全桥移相DC-DC变换器的输入电流是连续,这样的工作条件更有利于延长燃料电池工作寿命。

在图6所展示的65KW燃料电池发电系统电路图中,我们所使用的电流型全桥DC-DC变换器通过谐振元Lr和Cr可以使得电路中的开关管IGBT获得零电流关断(zCS)工作条件,同时使得负载整流二极管获得零电压关断(zVS)工作条件。可以有效地消除电路中1GBT由于拖尾电流造成的关断损耗,同时二极管的反响恢复损耗也得到消除。在开关管乃和乃换流期间,通过副边整流二极管的电流也在同步下降。因为谐振电容口的存在,在二极管电流减小到零前作用于二极管上的电压将保持为零。二极管自然关断。二极管的反向恢复损耗可以消除。

但是这种电流型的DC-DC变换器被应用于燃料电池发电系统中的时候,仍旧有一个很严重的弊端,那就是导通损耗大,工作效率低。因为输入电压比较低,而IGBT的导通压降比较高,尽管所有的主开关管、二极管在这里都可以获得软开关的条件,但是它的原边开关管的导通损耗依然比较大,整个电路的工作效率基本只维持在90%左右。另外输入电感的体积往往比较大,对提高功率密度来说也不利,所以这种电流型全桥移相DC-DC变换器应用于燃料电池发电系统中不是理想的选择。

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