【導讀】現(xiàn)如今電動汽車的研發(fā)和設(shè)計正逐漸升溫，尤其是在帶你東汽車燃料電池驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計方面，DC-DC變換器的選擇至關(guān)重要。只有最合適的DC-DC變換器才能滿足燃料電池分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的需求。本文就詳細探討了一下幾種可供電動汽車驅(qū)動選用的DC-DC變換器。
隔離電壓型DC-DC變換器
隔離電壓型的DC-DC變換器是目前比較常見的變換器類型之一，這一大類型中又可以分為半橋、全橋兩種小分類，下面我們來分別進行介紹。首先來看電壓型半橋DC-DC變換器，這種變換器的電路結(jié)構(gòu)如下圖圖1所示。半橋變換器具有電路簡單，而且與推挽和全橋相比，可利用輸入電容的充、放電特性自動調(diào)整兩個輸入電容上的電壓，使變壓器在工作周期的正、負半周伏-秒平衡，因此在中大功率范圍內(nèi)受到青睞。
圖1 電壓型半橋DC-DC變換器電路結(jié)構(gòu)
接下來我們再來看一下電壓型全橋DC-DC變換器的特點。這種全橋DC-DC變換器的電路結(jié)構(gòu)如下圖圖2所示。在實際的應(yīng)用過程中，這種變換器具有開關(guān)管器件電壓應(yīng)力、電流應(yīng)力較小，高頻功率變壓器的利用率高等優(yōu)點。而且全橋DC-DC變換器適合做軟開關(guān)管控制，減小變換器中的開關(guān)管損耗提高轉(zhuǎn)化效率。如圖3所示為一種三相全橋DC-DC變換器結(jié)構(gòu)，三相的結(jié)構(gòu)將電流、損耗均分到每相中，適合大功率DC-DC變換。同時三相全橋中的開關(guān)管也可以獲得軟開關(guān)管工作條件。可以說，電壓型的DC-DC變換器是非常適合電動汽車燃料電池的分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進行選用的
隔離電流型DC-DC變換器
在介紹了隔離電壓型DC-DC變換器的兩種常見類型和特點后，接下來我們來看一下隔離電流型DC-DC變換器的特點和應(yīng)用情況。與電壓型DC-DC變換器一樣，隔離電流型變換器也同樣在結(jié)構(gòu)上分為全橋和半橋兩種。電流型半橋DC-DC變換器如下圖圖4所示。因為在任何時刻，兩個開關(guān)管必須保證有一個開關(guān)管是導通的，即開關(guān)管的導通占空比不能小于0.5，導致兩個輸入電感總是有一個處于充電狀態(tài)，輸入電流總是大于零，這意味著系統(tǒng)有一個最低輸出功率的限制。
圖4 電流型半橋DC-DC變換器電路結(jié)構(gòu)
接下來我們再來看一下電流型全橋DC-DC變換器的電路結(jié)構(gòu)，這種變換器的電路結(jié)構(gòu)如下圖圖5所示。該結(jié)構(gòu)電路穩(wěn)定工作時候，兩組對角的開關(guān)管在前后半個開關(guān)管周期內(nèi)交替關(guān)斷（等效為兩個Boost輪流工作），將電能傳送到變壓器副邊。通過PWM調(diào)制控制輸出電壓。
那么，電流型全橋DC-DC變換器在實際的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，究竟如何呢？下面我們通過一個案例來進行分析。這里我們使用一種逆阻型IGBT的電流型全橋移相DC-DC變換器作為一個5kW燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)的前級，進行設(shè)計和實驗，所完成的發(fā)電系統(tǒng)主電路如圖6所示。可以看到，在這一發(fā)電系統(tǒng)的電路設(shè)計中，高頻變壓器有兩個副邊繞組，經(jīng)整流得到兩路輸出電壓供給后級半橋逆變器。電流型的結(jié)構(gòu)沒有直通短路問題的存在，有更高的可靠性。電流型全橋移相DC-DC變換器的輸入電流是連續(xù)，這樣的工作條件更有利于延長燃料電池工作壽命。
在圖6所展示的65KW燃料電池發(fā)電系統(tǒng)電路圖中，我們所使用的電流型全橋DC-DC變換器通過諧振元Lr和Cr可以使得電路中的開關(guān)管IGBT獲得零電流關(guān)斷（zCS）工作條件，同時使得負載整流二極管獲得零電壓關(guān)斷（zVS）工作條件。可以有效地消除電路中1GBT由于拖尾電流造成的關(guān)斷損耗，同時二極管的反響恢復損耗也得到消除。在開關(guān)管乃和乃換流期間，通過副邊整流二極管的電流也在同步下降。因為諧振電容口的存在，在二極管電流減小到零前作用于二極管上的電壓將保持為零。二極管自然關(guān)斷。二極管的反向恢復損耗可以消除。
但是這種電流型的DC-DC變換器被應(yīng)用于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的時候，仍舊有一個很嚴重的弊端，那就是導通損耗大，工作效率低。因為輸入電壓比較低，而IGBT的導通壓降比較高，盡管所有的主開關(guān)管、二極管在這里都可以獲得軟開關(guān)的條件，但是它的原邊開關(guān)管的導通損耗依然比較大，整個電路的工作效率基本只維持在90%左右。另外輸入電感的體積往往比較大，對提高功率密度來說也不利，所以這種電流型全橋移相DC-DC變換器應(yīng)用于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中不是理想的選擇。
相關(guān)閱讀：
滿足能源之星的DC-DC設(shè)計，就真的節(jié)能？
研發(fā)設(shè)計之開關(guān)電源適配器DC-DC極的設(shè)計簡析
從電壓出發(fā)，分析DC-DC器件與LDO的區(qū)別
