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本文提出了一種以 SiC MOSFET 做為開關(guān)器件的氫燃料電池 DC/DC 變換器設(shè)計(jì)方案。該 DC/DC 變換器方案，采用模塊化設(shè)計(jì)，以應(yīng)對多組氫燃料電池的電力轉(zhuǎn)化需求。模塊采用三相交錯(cuò)并聯(lián)升壓電路拓?fù)�。SiC 器件的應(yīng)用和電路拓?fù)涞倪x擇設(shè)計(jì)使得該方案具有大功率、小體積、低損耗和動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)勢，能更好的適應(yīng)氫燃料電池和軌道交通車輛各種工況。氫能作為一種新能源，發(fā)展勢頭漸盛。軌道交通車輛因其載量大，線路相對固定等特點(diǎn)，更是走在了氫能技術(shù)應(yīng)用的前沿 [1-2]。而 DC/DC 變換器是氫燃料電池化學(xué)能轉(zhuǎn)電能后，實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定和調(diào)節(jié)的關(guān)鍵電力轉(zhuǎn)換部件。 與傳統(tǒng)軌道交通車輛一樣，燃料電池車輛也必須具有很強(qiáng)的機(jī)動性，以便對不同的路況及時(shí)做出相應(yīng)的反應(yīng)。為滿足機(jī)動性的要求，車輛驅(qū)動所需功率會有較大的波動，這與燃料電池的輸出特性偏軟 [3] 是相矛盾的。 若以燃料電池作為電源直接驅(qū)動，會表現(xiàn)為輸出特性偏軟、輸出電壓較低，需要在燃料電池與牽引逆變器之間加入 DC/DC 變換器，兩者共同組成電源對牽引逆變器供電，從而轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定、可控的直流電源，所以一個(gè)高性能的 DC/DC 變換器對燃料電池車輛顯得尤為重要 [4]。燃料電池 DC/DC 變換器功率電路有隔離型和非隔離型兩種。隔離型可以做到電氣絕緣、安全性高，但體積大、成本高。而非隔離型在轉(zhuǎn)換效率、動態(tài)響應(yīng)特性及大功率拓展較隔離型優(yōu)，因此在做好整車絕緣的基礎(chǔ)上，非隔離型是車載 DC/DC 的優(yōu)選方案。 SiC 功率器件具有導(dǎo)通電阻小、高頻特性好、 耐高溫等優(yōu)良特性 [5-7]，能顯著減少變換器開關(guān)損耗，提高系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)化效率。鑒于氫燃料電池的輸出特性，以及軌道交通的高功率密度要求，本文提出了一種基于 SIC MOSFET 的非隔離型 DC/DC 變換器電路設(shè)計(jì)方案。 資料作者：
1 系統(tǒng)拓?fù)?/div>DC/DC 變換器應(yīng)用于氫燃料軌道交通車輛，包含 DC/DC 變換器模塊、控制器和若干接觸器、熔斷器等其他電氣部件。 DC/DC變換器主要功能是將氫動力系統(tǒng)中氫燃料電池提供的不穩(wěn)定的直流電壓變換成相對穩(wěn)定的直流電壓給氫動力系統(tǒng)中動力電池充電，輸出電壓跟隨動力電池電壓變化而相應(yīng)變化。系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D 1 所示。
本方案功率級別設(shè)計(jì)為 300kW。燃料電池驅(qū)動系統(tǒng)對應(yīng)三個(gè)氫燃料電池模塊設(shè)計(jì)了三個(gè) DC/DC 模塊。DC/DC 變換器具體電氣設(shè)計(jì)參數(shù)如表 1。
系統(tǒng)電路原理圖見圖2。
DC/DC 變換器在接收到氫儲能系統(tǒng)控制器給定電流值和啟動命令信號后，將氫燃料電池輸出的 DC440V ～ DC680V 的電壓升壓到 DC970V-DC1320V 的電壓來給動力電池充電及給 1500V 母線供電。 DC/DC 變換器通過 CAN 通訊接收車輛控制器給出的命令信號并反饋 DC/DC 變換器的狀態(tài)信息；DC/DC 變換器在輸入端進(jìn)行限流控制，電流大小響應(yīng)車輛控制器給出的給定電流；輸出端電壓跟隨母線電壓變化。 DC/DC 變換器輸入端通過熔斷器（FU1、FU2、FU3）與燃料電池相連，在變流器出現(xiàn)極端情況時(shí)，熔斷器迅速斷開，切斷 DC/DC 輸入端的連接。輸出端安裝了熔斷器（FU4），在負(fù)載端出現(xiàn)極端的情況下也可斷開與外部電路的連接。 4 控制策略 DC/DC 變換器整體控制為被動控制，受氫動力系統(tǒng)能量管理控制器 ECUS 的控制。ECUS 通過采集氫動力系統(tǒng)中的數(shù)字量和接收車輛控制指令，進(jìn)行軟件運(yùn)算，通過硬線輸出和通信線控制儲氫系統(tǒng)、FCU、DC/DC 和動力電池部件提供車輛運(yùn)行過程中（加速、勻速、制動、停站）所需功率。DC/DC 變換器在接收到電壓信號后，判斷電壓在正常范圍內(nèi)開始模塊預(yù)充電工作，完成預(yù)充電后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)接收到電流給定信號并有啟動信號后啟動開始工作，其內(nèi)部對輸入側(cè)進(jìn)行限電流控制，電流大小響應(yīng) ECUS 給出的給定電流，實(shí)現(xiàn)對 DC/DC 輸入功率的控制；輸出電壓大小跟隨母線電壓變化。 每個(gè)DC/DC 模組分別接入一個(gè)單獨(dú)的氫燃料電池，可允許最大 110kW 的輸入功率，三個(gè)模組輸出合并給整車高壓直流母線供電或給動力電池充電；模組輸入功率由 ECUS 結(jié)合實(shí)際工況通過控制電流給定來實(shí)現(xiàn)，即 DC/DC 接收到 ECUS 的給定電流后控制DC/DC 輸入電流與給定電流一致，以滿足實(shí)際工況功率的需求。 5 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì) 三相交錯(cuò)電路的每相電路對稱，因此在電路設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算中選擇一相即可。
式中 Uout max ──最大輸出電壓； 5.1 主電感的設(shè)計(jì) 三相電路共用一個(gè)主電感，每相電路中有一個(gè)電感值很小的換流電感，相對于主電感，此電感值可以忽略不計(jì)，因此主電感 L1的計(jì)算公式為：
5.2 功率開關(guān)管的設(shè)計(jì)計(jì)算 流過功率 MOSFET 的電流有效值為：
5.3 功率二極管的設(shè)計(jì)計(jì)算 功率二極管采用 SiC MOSFET 模塊的體二極管，流過二極管的電流有效值為：
5.4 驅(qū)動電路的設(shè)計(jì) 驅(qū)動電路采用專業(yè)集成驅(qū)動器。其適用于3300V耐壓的開關(guān)管。主要特性如下：（1）具有短路保護(hù)和過電流保護(hù)； （2）門極驅(qū)動電流高達(dá) ±15A； （3）具有供電電源監(jiān)視和器件自檢功能； （4）開關(guān)頻率范圍從 DC 到大于 100KHz； （5）占空比從 0 到 100%； （6）內(nèi)置 DC/DC 電源變換器。
6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析 設(shè)計(jì)了一臺試驗(yàn)樣機(jī)（三維圖見圖 3）
其基本電氣設(shè)計(jì)參數(shù)如表 1。電感電流紋波系數(shù) KL 取 1.3，開關(guān)頻率 fsw 取值 3kHz，按上述公式計(jì)算，主電感取值 900μH\250A，換流電感取 45μH\250A。 SiC MOSFET 選用耐壓值為 3300V 器 件，Rds=4mΩ，Coss =230nF，tr=0.5uS，tf=0.2uS，td(on)=0.9uS，td(off)=1.5uS。計(jì)算各部件的損耗為功率管模塊單個(gè) 690W，3 個(gè)共 2070W；主電感 860W，換流電感單個(gè) 220W，三個(gè) 660W；二極管 400W。試驗(yàn)樣機(jī)通過功率器件的合理布局以及強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱使其整體熱量分布基本均勻。其中一路主電感由于周邊遍布主電感和換流電感等發(fā)熱量大的功率器件且安裝與散熱器邊緣，因此溫升最大達(dá)110，但此溫度遠(yuǎn)小于磁芯飽和溫度，散熱安全合理。其散熱仿真分析如圖 4。
7 結(jié)語 對于軌道交通大功率的需求，非隔離，碳化硅高頻化，高集成度的控制方案已經(jīng)成為未來燃料電池 DC/DC 變換器的發(fā)展趨勢。而本文設(shè)計(jì)實(shí)例在這幾個(gè)方面都做了設(shè)計(jì)考慮和實(shí)現(xiàn)。是一種適應(yīng)未來軌道交通的一種智能化和高功率密度的優(yōu)選方案。了解更多電力電子信息，請關(guān)注公眾號
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