专利名称：燃料电池客车用降压型大功率dc/dc变换器柔性换流电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种DC/DC变换器主电路的拓朴结构，具体地说，是指一种适用于燃料电池客车用降压型大功率DC/DC变换器的柔性换流电路。
背景技术：
在燃料电池客车中，大功率DC/DC变换器是实现能量转换、传递、电压电流及功率控制的关键执行部件。考虑到燃料电池汽车应用的特殊性，对变换器的设计有如下特别要求大功率、高效率、体积小、质量轻，所以变换器的主电路拓扑在满足上述要求的基础上尽量简单、实用、可靠。
常规的降压DC/DC变换器主电路形式有多种方式，根据燃料电池客车中的配置要求，其中Buck降压变换器以其变换效率高的特点，是首选的DC/DC变换电路拓扑结构之一。Buck变换器的原理图如图1所示。在图1中，uin为输入电压，也是电容C两端电压，Uo是降压电路的输出电压。该电路的工作过程如下当功率开关管T导通时，电流经负载、电感L流过功率开关管T并线性增加，电能以磁能形式存储在电感线圈L中，同时给负载供电，电容C、负载、电感L和功率开关管T构成回路，此时由于二极管D0的阳极接负，二极管D0处于截止状态；当功率开关管T由导通转为截止时，存储在电感L中的能量释放出来，通过二极管D0续流，维持向负载供电，电感L、二极管D0和负载构成回路。若周期性地控制功率开关管T的导通与关闭，即可实现能量由输入电压Uin向输出电压Uo的降压传递(Uo≤Uin)，电路的输出电压Uo＝δUin，其中δ为功率开关管T的导通占空比。为达到上述降压传递，功率开关管T与二极管D0必须轮流导通与关断，二者之间将频繁的进行换流。在燃料电池客车中，由于DC/DC变换器变换传递的功率大(100kW以上)，输出电压达300V～400V，流过功率开关管T的电流达几百安培。在这种工作条件下，功率开关管T、二极管D0是交替导通的，在功率开关管T、二极管D0换流过程中，将在功率开关管T上产生很大的电压变化率du/dt，在二极管D0上产生很大的电流变化率di/dt，特别是当功率开关管T由截止转为导通，二极管D0由导通转为截止的过程中，由于二极管D0反向导通恢复时间的原因，二极管D0在反向恢复时刻，相当于瞬时处于短路状态，此时，由电容C、二极管D0和功率开关管T构成回路，相当于输入端直接短路，并且由于输入端的电压达400V～500V，此时将在功率开关管T和二极管D0上产生并流过很大的电流尖峰，产生很大的电流变化率di/dt，这种很大的电流变化率di/dt与电流尖峰值不仅造成严重的电磁干扰问题，更严重的是它将造成快恢复二极管D0的失效损坏，从而造成整个变换电路的故障。这种失效现象是目前Buck电路中的一个常见现象，尤其在大功率高电压输出DC/DC变换器中更容易发生，如何解决上述问题是目前降压型大功率DC/DC变换器中的技术难点之一。
为抑制因反向恢复时间产生的电流尖峰，可采用在图1中的二极管D0串接一小型电感L0，这样当功率开关管T由截止转为导通而二极管D0由导通转为截止时，尽管存在反向恢复问题，此时电容C、电感L0、二极管D0和功率开关管T构成回路，电感L0将起到限流作用，即限制电流变化率di/dt和电流尖峰，合适的选择电感L0的值可以获得良好的效果(电路原理图如图2所示)。但该电路又带来了另外的问题，即当功率开关管T由导通转为截止时，由于电感L0的存在，将使得在功率开关管T的漏极D和源极S两端产生过高的电压尖峰和电压变化率dv/dt，从而危及功率开关管的运行安全性。
发明内容
为解决常规降压型DC/DC变换器主电路的缺点以及限流电感带来的副作用，本发明提供了一种新型Buck降压型DC/DC变换器柔性换流电路的拓扑结构，通过在功率开关管T的漏极D串联一柔性换流电路实现功率开关管T安全工作。
本发明的一种燃料电池客车用降压型大功率DC/DC变换器的柔性换流电路，在输入电压端的负极串联有功率开关管T、电感L，在电感L的输出端和输出电压的正极并联有负载，在功率开关管T与电感L之间与输入电压端的正极并联有串联连接的二极管D0和电感L0，在电源的输入端正负极之间并联有电容C，电源的输出端正极与输入端正极连接在一起，在功率开关管T的漏极D串联有二极管D1、二极管D2和电感L1，电感L1联接在输入电压端的正极上，在二极管D1的阴极和输入电压端的负极并联有电容C1，二极管D1、二极管D2、电感L1和电容C1构成柔性换流电路。
所述的燃料电池客车用降压型大功率DC/DC变换器的柔性换流电路，其功率开关管T的漏极D和源极S两端产生的电压变化率dv/dt≤200V/微秒，二极管D0上产生的电流变化率di/dt≤80A/微秒。
所述的燃料电池客车用降压型大功率DC/DC变换器的柔性换流电路，其功率开关管T的漏极D和源极S两端产生的电压尖峰小于DC/DC变换器主电路额定输入电压的1/4，功率二极管D0上产生的电流尖峰小于DC/DC变换器主电路额定输出电流的1/6。
本发明柔性换流电路的优点通过增加电感L1、电容C1、二极管D1和二极管D2器件，不仅解决了功率开关管T上产生的电压尖峰和电压变化率dv/dt，、而且也解决了二极管D0上较大的电流尖峰和电流变化率di/dt。本发明柔性换流电路克服了常规Buck降压变换器电路拓扑中的功率开关管T、二极管D0的寿命短、可靠性差等缺点，还减小了系统的电磁干扰，提高了电路的工作安全性和可靠性。
图1是现有技术中常规的Buck降压变换器电路。
图2是改进现有技术中串接限流电感的Buck降压变换器电路。
图3是本发明的柔性换流Buck降压变换器电路拓扑。
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种燃料电池客车用降压型大功率DC/DC变换器的柔性换流电路，在输入电压端的负极串联有功率开关管T、电感L，在电感L的输出端和输出电压的正极并联有负载，负载联接在输出电压端的正极上，在功率开关管T与电感L之间与输入电压端的正极并联有串联连接的二极管D0和电感L0，在电源的输入端正负极之间并联有电容C，电源的输出端正极与输入端正极连接在一起，在功率开关管T的漏极D串联有二极管D1、二极管D2和电感L1，电感L1联接在输入电压端的正极上，在二极管D1的阴极和输入电压端的负极并联有电容C1；二极管D1、二极管D2、电感L1和电容C1构成柔性换流电路。
在本发明中，在功率开关管T与电感L之间与输入电压端的正极并联有两个支路，支路一为二极管D0和电感L0串联；支路二为二极管D1、二极管D2和电感L1串联，并且在二极管D1的阴极和输入电压端的负极并联有电容C1。
为了解决常规Buck降压型DC/DC变换器主电路的缺点以及限流电感带来的副作用，在本发明专利申请中，提出了柔性换流拓扑结构(如图3所示)。图3同图2相比，该拓扑结构除保留电感L0外，还增加由二极管D1、电容C1、二极管D2、电感L1等器件组成的辅助回路，其工作原理如下在功率开关管T正常导通时，流过功率开关管T的电流即输入电流，大小为I，当功率开关管T由导通转为截止时，相对于电感L、二极管D0、电感L0、负载回路，电感L、二极管D1、电容C1、电容C、负载回路的阻抗最小，输入电流I由功率开关管T换流至二极管D1并对电容C1充电，电流大小为I1，由于电容C1的存在，对功率开关管T的漏极D和源极S两端电压可加以适当的抑制，减小了功率开关管T的漏极D和源极S两端的电压尖峰和电压变化率dv/dt，即功率开关管T的漏极D和源极S两端产生的电压尖峰小于DC/DC变换器主电路额定输入电压的1/4，且功率开关管T的漏极D和源极S两端产生的电压变化率dv/dt≤200V/微秒，起到保护功率开关管T的作用。随着电容C1电压逐渐升高，电流I1将逐渐减小，同时I0从零开始增加。由于整个辅助回路二极管D1、电容C1、二极管D2、电感L1的阻抗较大，经过一段时间后，电流I1将下降至零，所有电流全部从二极管D0、电感L0流过，为加快这一过程，还特将电感L0设计为饱和式电感，这样完成功率开关管T与二极管D0的换流过程，电容C1上的电量将通过二极管D2、电感L1放电，电容C1两端的电压基本维持与Uin同样的电压值，为下一次的功率开关管T、二极管D0换流做好准备。
当功率开关管T由截止转为导通时，尽管二极管D0存在反向恢复的问题，但由于电感L0的存在，将使二极管D0上的电流尖峰和电流变化率di/dt被抑制在较小的范围内，即功率二极管D0上产生的电流尖峰小于DC/DC变换器主电路额定输入输出电流的1/6，且二极管D0上产生的电流变化率di/dt≤80A/微秒；而对于柔性换流电路，此时由于二极管D1上已几乎无电流流过，所以不存在反向恢复问题，也没有二极管D1上的电流尖峰和电流变化率di/dt大的问题。
权利要求
1.一种燃料电池客车用降压型大功率DC/DC变换器柔性换流电路，在输入电压端的负极串联有功率开关管T、电感L，在电感L的输出端和输出电压的正极并联有负载，在功率开关管T与电感L之间与输入电压端的正极并联有串联连接的二极管D0和电感L0，在电源的输入端正负极之间并联有电容C，电源的输出端正极与输入端正极连接在一起，其特征在于在功率开关管T的漏极D串联有二极管D1、二极管D2和电感L1，电感L1连接在输入电压端的正极上，在二极管D1的阴极和输入电压端的负极并联有电容C1，二极管D1、二极管D2、电感L1和电容C1构成柔性换流电路。
2.根据权利要求1所述的燃料电池客车用降压型大功率DC/DC变换器柔性换流电路，其特征在于功率开关管T的漏极D和源极S两端产生的电压变化率dv/dt≤200V/微秒，二极管D0上产生的电流变化率di/dt≤80A/微秒。
3.根据权利要求1所述的燃料电池客车用降压型大功率DC/DC变换器柔性换流电路，其特征在于功率开关管T的漏极D和源极S两端产生的电压尖峰小于DC/DC变换器主电路额定输入电压的1/4，功率二极管D0上产生的电流尖峰小于DC/DC变换器主电路额定输出电流的1/6。
全文摘要
本发明公开了一种燃料电池客车用降压型大功率DC/DC变换器柔性换流电路，它由二极管D
文档编号H02M3/10GK1710792SQ200510080469
公开日2005年12月21日 申请日期2005年7月5日 优先权日2005年7月5日
发明者齐铂金, 汪殿龙, 冯涌波 申请人:北京航空航天大学