燃料电池用新型高升压比DC/DC变换器

张 珂，全书海，黄 亮，曹 旭

(武汉理工大学自动化学院，湖北 武汉 430070)

随着电源技术的快速发展，越来越多高效环保的新型能源(如燃料电池、超级电容、光伏等)逐渐趋向产业化，同时对DC/DC变换器的性能要求也越来越苛刻。特别在燃料电池发电系统中，要求DC/DC变换器必须具有功率大、效率高、安全可靠和体积小等特点，因此研究大功率高效率的DC/DC变换器十分重要[1]。

在轻载时，燃料电池电压较高，需通过DC/DC实现降压输出;重载时，燃料电池电压较低，需用DC/DC实现升压输出。在多级升压boost电路[2－6]的基础上，笔者提出的新型 boost－ buck 电路能有效实现燃料电池在各个状态都稳压输出。相比于传统的升降压电路，该变换器能实现低占空比升压，可有效地降低开关管的导通功耗，从而提高了效率。

1 新型DC/DC变换器主电路设计

笔者提出了一种新型的高升压比 boostbuck变换器，其拓扑结构如图1所示。主电路由一个改进的boost电路和buck电路组成。改进的boost电路相比于传统的boost电路只增加了一个电容和两个二极管就实现了两倍于后者的升压比，并且开关管、二极管承受的电压较小，有效地降低了成本。

该电路可在升压模式和降压模式下工作，对各个工作模式的分析如下:

图1 boost－buck拓扑结构

(1)升压模式。升压模式状态分析图如图2所示。当变换器在升压模式工作时，开关管T2一直处于直通状态，通过控制T2的PWM占空比来控制输出电压。当T1导通时，如图2(a)所示，电流直接流经L1回到输入的负极，L1储能;二极管D2反向截止;电容C2的能量经二极管D3流向电容C3。当T1关断时，如图2(b)所示，电感L1经二极管D2续流，给电容C2充电;二极管D3截止;电容C3的能量经二极管D4流向电容C4和负载。当系统达到稳态时，在一个周期内电容C2和电容C3的电压平均值基本相等。

设开关管T1的占空比为DT1，则:

图2 升压模式状态分析图

(2)降压模式。降压模式状态分析图如图3所示。当变换器在降压模式工作时，开关管T1一直处于断开状态，系统等效为一个传统的buck电路。当T2导通时，如图 3(a)所示，D2、D3、D4导通;电流经L2给电容C5充电，给负载放电。当T2关断时，如图3(b)所示，L2经D5续流，继续给负载放电;此时L1、C1、C2形成一个震荡回路，避免了因L1电流突变而引起的电压尖峰。

图3 降压模式状态分析图

设T2的占空比为DT2，则:

2 升降压比参数计算

在理想情况下，boost电路的升压比可以通过调节占空比无限增大，但是在实际应用中受各种因素的影响，其升压比并不能达到无穷大。其中最主要的影响因素是电路中电感的等效串联电阻ESR(equivalent series resistance)，而且开关频率越高，影响越大。

设L1和L2的等效串联电阻分别为Resr1和Resr2。L1的平均电流为 IL1，输出电流为 Iout，输出阻抗为Ro。

由能量守恒定理可知:

当系统达到稳态时，一个周期内电感L1两端电压的平均值VL1应为零，则:

由此可知:

由式(8)可以看出升压比并不是随着占空比的增大而无限增大，还取决于Resr1/Ro的值。

当变换器在降压模式工作时，设电感L2的平均电流为IL2，则:

电感L2的平均电压VL2也应为零，即:

可知:

电感的等效串联电阻会随着开关频率的增大而增大，因此在选择开关频率时也应适当考虑对DC/DC变换器变比的影响。

3 实验结果及分析

在自主研发的大功率DC/DC变换器中，采用新型boost－buck电路作为主电路拓扑结构，选用TI公司的DSP芯片(TMS320LF2407)作为控制芯片，通过输出电压、电流反馈调节开关管的占空比，以达到稳压的目的。

实验参数:输入电压为25～80 V，设定目标输出电压为51 V，开关频率为20 kHz，输入电感L1=200 μH，输出电感 L2=400 μH，输出滤波电容 C5=1 000 μF，中间电容 C2=C3=C4=100 μF，占空比由DSP根据反馈值计算得出。

图4为该DC/DC变换器在输入32 V时的效率－功率曲线。由图4可看出轻载时效率可达95%以上，随着功率的增加，开关损耗(主要是开通损耗)增大，效率降低。

图4 功率－效率曲线

开关管的开通损耗功率 P'如下式所示[7－8]:

其中:VCE为开关管导通时集电极与发射极之间的电压;I0为开关管导通时流过的平均电流;D为开关管的占空比。这里选择的IGBT型号为FF450R60KT4，则 VCE为2 V。

表1为传统的boost电路和新型boost－buck电路同时工作在输入电压为38 V，输出目标电压为51 V，输出功率为5 kW时的占空比、导通损耗和转换效率。可看出新型boost－buck电路的导通损耗远小于传统boost电路的导通损耗，其转换效率也比传统boost的转换效率高了3%。

表1 输出5 kW时电路的实验数据

图5为传统boost电路输出58 V时的开关管波形界面图，可以看出开关管关断时承受的平均电压为55.9 V。

图6为新型boost－buck电路输出58 V时的开关管波形界面图，可以看出此时开关管占空比与图5中的占空比相同，但是关断时承受的平均电压仅为30.4 V。

图5 传统boost电路开关管电压波形界面图

图6 新型boost－buck电路开关管电压波形界面图

由此可见，新型boost－buck电路对开关管的耐压要求降低，可以有效提高变换器的安全性。

4 结论

笔者提出的DC/DC变换器可以适用于许多单向升降压系统(如燃料电池、光伏等)[9－10]，实验证明该变换器可实现高效率运行。电路的主要优点有:

(1)在低占空比的基础上能实现高升压比，降低了开通损耗，有效地提高了效率。同时也能实现降压功能;

(2)由于有两个电容分压，开关管承受的电压小，对开关管要求降低，提高了变换器的安全性。

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