基于SiC的車(chē)載氫燃料電池DC/DC變換器設(shè)計(jì)

劉銘 張文超

（中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司 山東省青島市 266000）

與傳統(tǒng)軌道交通車(chē)輛一樣，燃料電池車(chē)輛也必須具有很強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，以便對(duì)不同的路況及時(shí)做出相應(yīng)的反應(yīng)。為滿足機(jī)動(dòng)性的要求，車(chē)輛驅(qū)動(dòng)所需功率會(huì)有較大的波動(dòng)，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(dòng)，會(huì)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(duì)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(duì)燃料電池車(chē)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(dòng)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(chē)絕緣的基礎(chǔ)上，非隔離型是車(chē)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(kāi)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。

1 系統(tǒng)拓?fù)?/h2>

DC/DC 變換器應(yīng)用于氫燃料軌道交通車(chē)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(dòng)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(duì)穩(wěn)定的直流電壓給氫動(dòng)力系統(tǒng)中動(dòng)力電池充電，輸出電壓跟隨動(dòng)力電池電壓變化而相應(yīng)變化。系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1：系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2 設(shè)計(jì)輸入

本方案功率級(jí)別設(shè)計(jì)為300kW。燃料電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)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。

表1：電氣設(shè)計(jì)參數(shù)

3 DC/DC變換器原理

系統(tǒng)電路原理圖見(jiàn)圖2。

圖2：DC/DC 變換器電路原理圖

DC/DC 變換器內(nèi)部設(shè)計(jì)三個(gè)獨(dú)立的DC/DC 模塊，有三個(gè)主電路輸入端口，一個(gè)主電路輸出端口，模塊輸入端分別對(duì)接三個(gè)燃料電池的輸出，模塊輸出端并接。DC/DC 模塊采用三相交錯(cuò)并聯(lián)電路，其中 L1 為主電感，L2-L4 為換流電感，此設(shè)計(jì)通過(guò)降低開(kāi)關(guān)器件（VT1-VT3）的開(kāi)關(guān)頻率，提升電感的開(kāi)關(guān)頻率，大幅度降低了開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗，減小了電感的設(shè)計(jì)難度，使得產(chǎn)品體積小、重量輕、噪聲低[8-10]。

DC/DC 變換器在接收到氫儲(chǔ)能系統(tǒng)控制器給定電流值和啟動(dòng)命令信號(hào)后，將氫燃料電池輸出的DC440V ～DC680V 的電壓升壓到DC970V-DC1320V 的電壓來(lái)給動(dòng)力電池充電及給1500V 母線供電。

DC/DC 變換器通過(guò)CAN 通訊接收車(chē)輛控制器給出的命令信號(hào)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(chē)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(guò)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(kāi)，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(kāi)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(dòng)控制，受氫動(dòng)力系統(tǒng)能量管理控制器ECUS 的控制。ECUS 通過(guò)采集氫動(dòng)力系統(tǒng)中的數(shù)字量和接收車(chē)輛控制指令，進(jìn)行軟件運(yùn)算，通過(guò)硬線輸出和通信線控制儲(chǔ)氫系統(tǒng)、FCU、DC/DC 和動(dòng)力電池部件提供車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中（加速、勻速、制動(dòng)、停站）所需功率。

DC/DC 變換器在接收到電壓信號(hào)后，判斷電壓在正常范圍內(nèi)開(kāi)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(hào)并有啟動(dòng)信號(hào)后啟動(dòng)開(kāi)始工作，其內(nèi)部對(duì)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(duì)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(chē)高壓直流母線供電或給動(dòng)力電池充電；模組輸入功率由ECUS 結(jié)合實(shí)際工況通過(guò)控制電流給定來(lái)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(duì)稱(chēng)，因此在電路設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算中選擇一相即可。

式中Pin——單相輸入功率；Uinmin——最低輸入電壓；——相數(shù)。

式中Uoutmax——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(duì)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：

式中KL——電感電流紋波系數(shù)；fsw——開(kāi)關(guān)頻率。

最大電流紋波發(fā)生在輸入為Uout/2 處，即，

考慮通過(guò)電感的電流很大，應(yīng)適當(dāng)選擇環(huán)形鐵硅鋁磁環(huán)。電感的最大峰值電流為：

5.2 功率開(kāi)關(guān)管的設(shè)計(jì)計(jì)算

流過(guò)功率MOSFET 的電流有效值為：

式中RMOS——功率MOSFET 的漏源極導(dǎo)通電阻

功率MOSFET 的開(kāi)通損耗為：

式中tr——上升時(shí)間

式中tf——下降時(shí)間

式中Ucc——驅(qū)動(dòng)電壓；Qg——柵極電荷

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(guò)二極管的電流有效值為：

流過(guò)二極管的電流平均值為：

式中VF——二極管的導(dǎo)通壓降

5.4 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路采用專(zhuān)業(yè)集成驅(qū)動(dòng)器。其適用于3300V 耐壓的開(kāi)關(guān)管。主要特性如下：

（1）具有短路保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)；

（2）門(mén)極驅(qū)動(dòng)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(kāi)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(tái)試驗(yàn)樣機(jī)（三維圖見(jiàn)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(kāi)關(guān)頻率fsw取值3kHz，按上述公式計(jì)算，主電感取值900μH250A，換流電感取45μH250A。

圖3：三維圖

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(guò)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。

圖4：其散熱仿真分析圖

通過(guò)測(cè)試整機(jī)效率峰值可達(dá)97.8%（效率測(cè)試對(duì)比如圖5），與設(shè)計(jì)預(yù)期相符。相比于普通硅器件開(kāi)關(guān)管DC/DC 提升3%。

圖5：效率測(cè)試對(duì)比

7 結(jié)語(yǔ)

對(duì)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(lái)燃料電池DC/DC 變換器的發(fā)展趨勢(shì)。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(lái)軌道交通的一種智能化和高功率密度的優(yōu)選方案。