基于SiC的車載氫燃料電池DC/DC變換器設計

劉銘 張文超

（中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東省青島市 266000）

與傳統軌道交通車輛一樣，燃料電池車輛也必須具有很強的機動性，以便對不同的路況及時做出相應的反應。為滿足機動性的要求，車輛驅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動，會表現為輸出特性偏軟、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，從而轉換成穩定、可控的直流電源，所以一個高性能的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。而非隔離型在轉換效率、動態響應特性及大功率拓展較隔離型優，因此在做好整車絕緣的基礎上，非隔離型是車載DC/DC 的優選方案。

SiC 功率器件具有導通電阻小、高頻特性好、 耐高溫等優良特性[5-7]，能顯著減少變換器開關損耗，提高系統整體轉化效率。

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 變換器電路設計方案。

1 系統拓撲

DC/DC 變換器應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中氫燃料電池提供的不穩定的直流電壓變換成相對穩定的直流電壓給氫動力系統中動力電池充電，輸出電壓跟隨動力電池電壓變化而相應變化。系統拓撲如圖1所示。

圖1：系統拓撲圖

2 設計輸入

本方案功率級別設計為300kW。燃料電池驅動系統對應三個氫燃料電池模塊設計了三個DC/DC 模塊。DC/DC 變換器具體電氣設計參數如表1。

表1：電氣設計參數

3 DC/DC變換器原理

系統電路原理圖見圖2。

圖2：DC/DC 變換器電路原理圖

DC/DC 變換器內部設計三個獨立的DC/DC 模塊，有三個主電路輸入端口，一個主電路輸出端口，模塊輸入端分別對接三個燃料電池的輸出，模塊輸出端并接。DC/DC 模塊采用三相交錯并聯電路，其中 L1 為主電感，L2-L4 為換流電感，此設計通過降低開關器件（VT1-VT3）的開關頻率，提升電感的開關頻率，大幅度降低了開關器件的開關損耗，減小了電感的設計難度，使得產品體積小、重量輕、噪聲低[8-10]。

DC/DC 變換器在接收到氫儲能系統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 變換器的狀態信息；DC/DC 變換器在輸入端進行限流控制，電流大小響應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，在變流器出現極端情況時，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），在負載端出現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，受氫動力系統能量管理控制器ECUS 的控制。ECUS 通過采集氫動力系統中的數字量和接收車輛控制指令，進行軟件運算，通過硬線輸出和通信線控制儲氫系統、FCU、DC/DC 和動力電池部件提供車輛運行過程中（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開始模塊預充電工作，完成預充電后進入待機狀態，當接收到電流給定信號并有啟動信號后啟動開始工作，其內部對輸入側進行限電流控制，電流大小響應ECUS 給出的給定電流，實現對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DC/DC 模組分別接入一個單獨的氫燃料電池，可允許最大110kW 的輸入功率，三個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 結合實際工況通過控制電流給定來實現，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，以滿足實際工況功率的需求。

5 關鍵部件的設計

三相交錯電路的每相電路對稱，因此在電路設計參數計算中選擇一相即可。

式中Pin——單相輸入功率；Uinmin——最低輸入電壓；——相數。

式中Uoutmax——最大輸出電壓；

5.1 主電感的設計

三相電路共用一個主電感，每相電路中有一個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，因此主電感L1的計算公式為：

式中KL——電感電流紋波系數；fsw——開關頻率。

最大電流紋波發生在輸入為Uout/2 處，即，

考慮通過電感的電流很大，應適當選擇環形鐵硅鋁磁環。電感的最大峰值電流為：

5.2 功率開關管的設計計算

流過功率MOSFET 的電流有效值為：

式中RMOS——功率MOSFET 的漏源極導通電阻

功率MOSFET 的開通損耗為：

式中tr——上升時間

式中tf——下降時間

式中Ucc——驅動電壓；Qg——柵極電荷

5.3 功率二極管的設計計算

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：

流過二極管的電流平均值為：

式中VF——二極管的導通壓降

5.4 驅動電路的設計

驅動電路采用專業集成驅動器。其適用于3300V 耐壓的開關管。主要特性如下：

（1）具有短路保護和過電流保護；

（2）門極驅動電流高達±15A；

（3）具有供電電源監視和器件自檢功能；

（4）開關頻率范圍從 DC 到大于 100KHz；

（5）占空比從 0 到 100%；

（6）內置 DC/DC 電源變換器。

6 實驗結果及其分析

設計了一臺試驗樣機（三維圖見圖3）其基本電氣設計參數如表1。電感電流紋波系數KL取1.3，開關頻率fsw取值3kHz，按上述公式計算，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。

計算各部件的損耗為功率管模塊單個690W，3 個共2070W；主電感860W，換流電感單個220W，三個660W；二極管400W。

試驗樣機通過功率器件的合理布局以及強迫風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熱量大的功率器件且安裝與散熱器邊緣，因此溫升最大達110℃，但此溫度遠小于磁芯飽和溫度，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

通過測試整機效率峰值可達97.8%（效率測試對比如圖5），與設計預期相符。相比于普通硅器件開關管DC/DC 提升3%。

圖5：效率測試對比

7 結語

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成為未來燃料電池DC/DC 變換器的發展趨勢。而本文設計實例在這幾個方面都做了設計考慮和實現。是一種適應未來軌道交通的一種智能化和高功率密度的優選方案。