氢燃料电池输出DC-DC变换器设计

曹先贵，孙引红，王宏斌，郑 翔

（西安清泰科新能源技术有限责任公司，陕西 西安 710077）

关键字：DC-DC变换器；六相交错双Boost；纹波电流

0 引 言

随着国家对环保问题的重视，新能源汽车产销量不断提升，氢燃料电池汽车以其高效、清洁以及加注燃料方便等优点成为新能源汽车的重要发展方向之一[1]。氢燃料电池具有许多突出的优点，但也存在不足之处，如较低的单节电池输出电压、较大的电压及功率变化范围等。目前主流的氢燃料电池反应堆输出电压集中于60～240 V，低于电动汽车动力电池常用的330～600 V母线电压。在车载氢燃料电池系统中，DC-DC变换器的输入连接氢燃料反应单元，其特性不稳定且功率调节速度慢，输出连接高压蓄电池和用电负载，包括电机控制器及低压供电等部件，用电功率无规律性，经常存在较大的跳动性变化。因此，为了保证氢燃料电池可以高效安全稳定地向负载供电，就需要利用DC-DC变换器来提升并稳定其输出电压，且起到功率调节的作用。

常用的DC-DC变换拓扑可以分为隔离型与非隔离型两大类，Buck、Boost以及Buck-Boost等拓扑是非隔离型拓扑中应用最为成熟的几种基本拓扑，其他一些据此衍生的拓扑也有较多应用[2]。这类拓扑的特点是结构简单，开关器件数量少，电感电容的设计也比较简单。但单级拓扑往往难以实现大的增益比，尤其在大功率应用的场景，随增益比增加其效率降低。隔离型拓扑采用高频变压器将输入与输出进行电气隔离，安全性更好，通过调节变压器变比可以获得较大的变换范围，但高频变压器需要占用较大体积，且高效大功率的高频变压器设计较为困难，制作工艺也比较复杂。

双Boost拓扑具有升压比高和器件应力低等特点，通过采用多相并联技术可以进一步降低元器件电流应力，减小输入输出电流纹波，有利于提升氢燃料电池反应堆寿命[3-5]。本文基于六相并联双Boost拓扑进行设计计算，设计升压模块功率为12 kW，通过模块的并联应用可方便扩展至60～120 kW等主流氢燃料电池发动机功率范围。采用模块化并联技术的DC-DC变换器也可具备容错率高、全功率段效率高以及便于批量化的优点，因而本文设计的升压模块具有较好的推广价值。

1 升压比及纹波电流计算

双Boost电路是将接地型Boost电路与浮地型Boost电路组合而形成的。这种电路的结构简单，提高了升压比，避免了级联电路和谐振电路造成的损耗或控制难度增加的问题，同时还可以利用交错开关技术使各支路电流相位不同，构成多相并联结构[6]。

多相并联可以降低元器件的电流负担，使元器件的选型更为容易。由于开关器件只承受部分输出电压，使得开关管可以选择低电压等级的MOS器件，提高开关频率，使变换器中重量和体积占比最大的电感设计得到简化，从而缩小了直流变换器的总体积和总重量，便于在汽车上的布置。另外交错式技术的采用提高了等效开关频率，降低了电流和电压纹波，有利于提升燃料电池的寿命[7,8]。

六相交错式双Boost电路的结构如图1所示。

图1 六相交错并联双Boost拓扑

电感电流连续状态下，根据伏秒平衡原则，可以得到：

式中，D为开关管开通占空比，T为开关周期。

同时根据连接关系有：

据式（1）～式（3）可以得到电路的输入输出关系为：

除变比关系不同外，由于输出电容C2和C3的作用，接地Boost部分与浮地Boost部分工作相对独立，其工作原理与传统Boost电路相同。据文献[4]可知，Boost占空比运行在0.8以下比较稳定，因而双Boost电路实际可使用最大升压范围可至1:9，完全可以满足氢燃料电池输出升压变换需求。

下面分析六相并联的电流纹波，在CCM运行模式下，单路电感电流纹波为：

由于开关器件交错开关，因而双Boost电路的总电流纹波并非单路电感电流纹波之和，总纹波电流的数值与电路实际运行的占空比有关，交错相数越多，占空比分段越多，总纹波电流与单电感纹波电流的关系为：

根据式（5）和式（6）可以对比出在相同感量下两相、四相以及六相交错纹波电流与开关占空比的关系，具体如图2所示。由图可以看出，六相交错相对于两相及四相可以在占空比0.8以下获得更低的纹波电流。

图2 多相交错纹波电流与占空比关系

2 控制方法

DC-DC变换器的控制模式可以采用电压控制或电流控制，电压控制模式比较适合作为电压源输出直接给负载供电的设备。在氢燃料电池系统中，DC-DC变换器的后级接有高压蓄电池，对电流的响应时间要求较高。本文采用外环电压环和内环电流环的控制方式，外环电压环用于稳定输出电压，内环电流环可以起到快速响应负载变换的功能[9,10]。模块控制结构如图3所示。

图3 模块控制结构

3 参数设计及仿真实验

设计样机参数如下，输入电压范围为120～240 V，输出电压为600 V，开关频率为50 kHz，输入电流纹波＜3%，输出功率为12 kW。

根据以上输入参数可以对拓扑中的主要器件进行计算选型。根据式（2）～式（4）可以得到，在输入电压范围内占空比运行范围为0.43～0.67，此范围内纹波电流最大的占空比为0.58，在此工作点进行感量选择。根据变比关系，忽略效率因素，此工况下输入电压为160 V，输入电流为75 A，输出电流为20 A。

根据式（6），要实现总输入电流纹波低于3%，则单个电感的纹波电流峰峰值应低于13 A，此时单个电感的平均电流为：

因此电感电流处于连续模式，需要的最低电感量为：

实际电感选择150 μH，输入及输出电容均选择为60 μF，对此参数PSIM软件环境下搭建了电路模型，仿真得到的输入纹波电流如图4所示。单个电感纹波电流峰峰值为13 A，纹波频率等于开关频率为50 kHz，总输入电流平均值为75 A，纹波峰峰值约为2 A，纹波电流低于总电流的3%，纹波电流频率为开关频率的6倍即300 kHz，符合设计推导。

图4 电感电流纹波及总输入电流纹波

采用相同的参数进行实际样机设计，电感实际参数为150 μH/20 A，整个模块共使用6个，为便于安装及散热，采用灌封结构将3个电感集成在一起。开关器件采用Infenion半导体公司的CoolMOS器件，具体型号为IPW65R041CFD，其电气参数为650 V/43 A，满足本电源设计需求。

设计的12 kW DC-DC变换模块及测试平台如图5所示。

图6为实际测试的单电感电流及总输入电流，输入电压为160 V，输出电压为600 V，负载电阻为30 Ω，输出功率为12 kW。单电感电流纹波电流约13 A，纹波电流频率等于开关频率为50 kHz，与仿真模型数据一致，总输入电流平均值约为75 A，总输入电流纹波低于2 A，验证了设计的有效性。

4 结 论

通过对氢燃料电池输出DC-DC变换器的需求分析，采用六相并联双Boost升压电路进行了升压比及纹波电流推导。基于实际使用的电压及纹波参数，对12 kW变换器模块进行了设计计算，并搭建了仿真模型及实际样机，验证了分析计算的有效性。