钟静宏，黄晓勤，肖振军，张　亚

(北京航天动力研究所，北京 100076)



低温低气压环境用双向大功率DC变换器研究

钟静宏，黄晓勤，肖振军，张亚

(北京航天动力研究所，北京 100076)

摘要:针对空间再生燃料电池能源系统的用电和环境要求，对其关键部件大功率双向DC变换器进行了研究。为保证苛刻环境下DC变换器可靠工作，对变换器结构、功率器件进行了热分析、热模拟，并在模拟空间环境中进行了验证。根据系统工作特点，进行水电一体化功率结构设计，优化电路拓扑，以满足空间对质量、体积和效率的高要求。最后对60 kW 双向DC变换器样机进行了测试，测试表明该变换器满足设计要求。

关键词:低温低气压；DC变换器；双向；大功率

1引言

空间能源系统有多种，再生氢氧燃料电池能源系统作为一颗新星闪耀其中。燃料电池是一种可将氢的化学能直接转化为电能的装置，与电解水结合构成再生燃料发电系统(Regenerative Fuel Cell System，简称RFCS)，亦可称为再生燃料电池能源系统，它具有比能量高、充放电深度和次数受限少、零污染等特点。美欧等发达国家采用氢氧及再生燃料电池能源系统的航天飞机、长航时无人机及军用特种车辆已投入使用。应用于空间飞行器的再生燃料电池能源系统工作原理如图1所示。在光照期系统利用飞行器总体剩余电能，将水电解成氢氧气并储存；非光照期系统将氢氧气通入燃料电池发电，并回收反应生成水，供下一循环使用；从而实现以水为媒介的电能“昼夜”不间断供应。为满足实际应用的需要，再生燃料电池能源系统必须配备双向的电力变换器(DC)负责飞行器总体的电力供应。因此DC变换器对整个再生能源系统的效率、比能量等性能和可靠性具有重要影响，是再生能源系统中的关键部件。

图1　再生燃料电池能源系统工作原理Fig.1　Operation principle of RFCS

针对再生燃料电池能源系统的使用要求而开展的集成化双向DC变换器研制突破了集成式功率模块设计、轻质化散热结构设计以及空间热设计等关键技术，形成数十千瓦级双向DC样件，并完成了地面性能和空间低温低气压环境模拟试验，为再生燃料电池能源系统的未来应用奠定了坚实基础。

2再生燃料电池能源系统及其对DC变换器的要求

再生燃料电池能源系统在电解和发电二种工况下都必须依赖大功率DC进行电力变换才可确保总体母线电压、电解器供电电压及燃料电池输出电压三者的相互匹配。其中，发电各工况为恒压输出，电解各工况为恒流输出， DC变换器主要功能性要求如下[1-3]：

1) 适合宽输入电压范围工作；

2) 体积轻、质量小、效率高；

3) DC变换器发电输出电压稳定性高，电解电流脉动小；

4) 可靠性高，保护功能完备。

3双向DC变换器的研制

3.1电原理

双向DC变换器设计主要包括三部分：控制与功率驱动电路、功率变换电路及其热结构、实时控制软件。根据整个系统的工作要求，设计的DC系统要求具有高可靠性、高比功率密度、高效率以及输出纹波低等特点。其中DC变换器电解过程(BUCK电路)和硬件原理如图2、3所示。它主要由三部分组成：测控软件、控制及驱动电路、功率传输电路。测控软件通过闭环反馈电路采用软开关技术(Vsoft slider)计算出合适脉宽(Duty1)的PWM波，并由控制电路来驱动功率开关以实现能量的传送，同时采用一定的控制算法为用电设备提供满足要求的电压与电流值。

图2　DC变换器的电解控制过程Fig.2　Controlling process of electrolysis in DC converter

图3　双向DC变换器硬件原理Fig.3　Principle of bi-directional DC converter

IGBT驱动电路作为DC变换器的关键电路，主要由隔离输入单元、接口单元、DC正负电源分配单元、驱动输出单元、过流检测单元、延迟盲区判断单元、软关断单元、复位重启单元和短路故障报警单元组成，它主要包括正常工作、短路故障保护、短暂的故障干扰三种工作过程。

3.2热设计

在大功率器件中，变换器运行过程中产生的高温对系统可靠性会带来很大影响。为了解决这个问题，主要从以下两方面采取措施：一是设法提高变换器效率，减小发热；二是设计良好的水散热系统，提高散热能力。

分析可知，影响变换器效率的几个主要因素是功率开关的开关频率、功率器件的参数设计及控制算法等。因此通过参数匹配和优化控制算法可以使功率开关的动态损耗大幅度降低[4-6]。

3.2.1热设计方案

通过对DC变换器在临近空间环境条件下采用Fluent软件对关键电子元器件和功率器件进行热计算与分析[7]，确定了散热重点器件和热设计措施。其中热设计方案主要考虑以下三点：

1) 改进功率拓扑结构，优化关键功率器件工作参数，采用新材料，减少大功率发热器件的发热量，提高工作效率；

2) 对元器件进行热分析并分类，对关键器件和散热量大的器件进行重点散热处理，最终在性能和可靠性之间达到一个较好平衡；

3) 优化结构设计，采用的水电一体化设计实现DC变化器整机的轻质小型化，以期在可靠性、散热效果和加工工艺性上取得突破。

3.2.2一体化电感热设计与测试

大功率水冷电感作为双向DC变换器关键部件，起着能量存储、平滑电流和滤波等作用。传统水冷电感不仅损耗大、发热大，影响系统效率和运行可靠性，且密封性差、外型笨重，这些都直接影响了再生燃料电池能源系统的性能和可靠性，限制了在航天器等其它新兴领域的应用。为了满足未来高空运行要求，对电感的有效散热，密封绝缘和小型轻质化等提出了很高的要求。

因此，专门针对电感的结构密封与内部散热，采用Fluent软件在设定电感发热量条件下计算了流道流阻和温度分布，计算分析结果参见图4～6，其中流道流阻为37.6 kPa，最高温度点在磁芯处，满足了设计要求。

图4　冷却通道压力分布，流阻37.6 kPaFig.4　Pressure distribution of at cooling channel in the flow resistance 37.6 kPa

图5　温度分布 Fig.5　Temperature distribution

图6　切面温度分布Fig.6　Slice temperature distribution

大功率双向DC-DC变换器所采用的新型水冷一体化电感，与传统的水冷电感相比，其主要优势为：

1) 采用了低损耗的磁性材料，有效减小温升，提高了DC变换器的系统效率和运行可靠性；同时，其电感量受温度和电流影响小，从而能够保证系统长期稳定工作；

2) 水电一体化结构与传统电感加水冷结构相比，其体积和质量大大降低，实现了整机的轻质小型化；

3) 磁芯模具成型保证与铜管紧密贴合，铜管与磁芯间包覆一层绝缘高导热材料，导热效果好；

4) 为满足运行环境的严格要求，铜管内部使用镀膜工艺以耐腐蚀，外部结合处采用绝缘耐腐蚀处理方法，可满足总体系统运行环境的苛刻要求；

5) 水冷电感的一体化结构较好地解决了密封结构密封难、水道加工工艺复杂、散热效果差等难题，提高了整机可靠性。

4DC变换器样件试验及结果分析

4.1地面性能试验

在软硬件调试基础上进行了整机性能测试和累计一百多小时的带载运行考核试验，DC变换器性能参数见表1。DC变换器发电和电解时的工作效率曲线参见图7所示。

表1　DC变换器性能参数

图7　发电和电解效率曲线(电流A-效率%)Fig.7　Efficiency curves of electricity generation and electrolysis (current/A-efficiency/%)

由表1和图7可知，双向DC变换器在额定工作点的发电效率大于95%，电解效率大于98%，发电恒压输出电压纹波峰峰值小于3 V，电解恒流输出电流纹波小于5 A，质量功率比小于0.35 kg/kW。经过连续12小时的带载加压的水冷运行以及上百小时的累计运行试验，双向DC变换器工作正常，运行状态良好，达到了研制任务所要求的各项运行参数及指标要求，显示出良好的散热能力。

4.2空间环境模拟试验

根据任务要求的环境条件，按照GJB150.6-86标准方法的规定[8]，进行低温低气压模拟环境试验，试验照片如图8所示。环境试验舱内压力和温度控制曲线如图9所示，电路板主要测温点温度变化曲线如图10所示。

图8　DC变换器环境试验照片Fig.8　Photo of for DC’s environment testing

图9　环境试验舱内压力温度控制曲线Fig.9　The controlled pressure and temperature curves in environment test chamber

图10　模拟环境下关键点温度曲线Fig.10　Temperature curves of the key-points in simulated

DC变换器在所要求的空间环境下工作了3.5小时，环境试验舱内压力和温度控制曲线如图10所示。在启动试验箱降温降压进行到约90分钟的时候DC变换器基本达到了热平衡，平衡后温度变化小于0.2℃。热平衡后观察到所选取的DC变换器上10个关键测温点(其中主要包括

机箱侧壁、电路模块上功率器件及关键芯片等处)温度变化曲线如图11所示。其中最高温度为31.15℃，最低温度为18.64℃，满足任务规定的空间低温低气压的环境要求。

5结论

1)所研制的大功率双向DC变换器样件运行状态良好，工作正常。

2)样件经试验验证具备了空间低温低气压环境适应性。

参考文献(References)

[1]张晓峰, 吕征宇. 混合动力车用全数字电流控制双向DC/DC变换器[J]. 电工技术学报, 2009, 24(8): 84-89.

Zhang Xiaofeng, Lv Zhengyu. digital-current-controlled bi-directional DC/DC converter in the hybrid electric vehicle[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2009, 24(8): 84-89.(in Chinese)

[2]Marchesoni M, Vacca C. New DC/DC converter for energy storage system interfacing in fuel cell hybred electric vehicles[J]. IEEE Trans. on Power Electronics, 2007, 22(1): 301-308.

[3]Su Guijia, Tang Lixin. A multiphase, modular, bidirectional, triple-voltage DC/DC converter for hybrid and fuel cell vehicle power systems[J]. IEEE Trans. on Power Electronics, 2008, 23(6): 3035-3046.

[4]童亦斌, 吴冬, 金新民, 等. 双向DC/DC变换器的拓扑研究[J]. 中国电机工程学报, 2007, 27(13): 81-86.

Tong Yibin, Wu Tong, Jin Xinmin, et al. Topology study of bi-directional DC/DC converter[J]. Proceedings of the CSEE, 2007, 27(13): 81-86.(in Chinese)

[5]张舟云, 徐国卿, 沈祥林. 新型叠层功率母线在EV电机驱动器中的应用[J]. 电力电子技术, 2005, 39(1): 53-57.

Zhang Zhouyun, Xu Guoqing, Shen Xianglin. A novel terrace power generatrix used in motor driver in EV[J]. Power Electronics, 2005, 39(1): 53-57.(in Chinese)

[6]王儒, 张明华, 孙清晓. 测月雷达用高压特种直流/直流变换器技术研究[J]. 载人航天，2015, 21(2): 142-145.

Wang Ru, Zhang Minghua, Sun Qingxiao. Research on high-voltage special DC/DC converter applied in lunar survey radar[J]. Manned Spaceflight, 2015, 21(2): 142-145.(in Chinese)

[7]李诚. 电子设备热分析技术研究[J]. 通信电源技术, 2014, 31(2): 16-18.

Li Cheng. Study on thermal analysis techniques for electronic devices[J]. Telecom Power Technology, 2014, 31(2): 16-18.(in Chinese)

[8]GJB150-86 军用设备环境试验方法[S]. 国防科学技术工业委员会, 1986.

GJB150-86 Environmental Test Methods for Military Equipments[S]. Commission for Science, Technology and Industry for National Defense, 1986.(in Chinese)

Study on High Power Bi-directional DC Convertor Used in Low-temperature and Low-pressure Environment

ZHONG Jinghong, HUANG Xiaoqin, XIAO Zhenjun, ZHANG Ya

(Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing 100076, China)

Abstract:The researches on high power bi-directional DC convertor were introduced in this paper. It is a key part in the space regenerative fuel cell system which has special requirements on power and environment. To ensure the reliable operation of DC under the harsh conditions, thermal analysis and thermal simulation were conducted on the structure and power component of the convertor, then verification test was made in the simulated space environment. According to the features of the system, integrated water and electron power structure was designed and power topology was optimized so as to meet the requirements on the mass, size and efficiency. The test on the developed 60kW bi-directional DC convertor showed that it could satisfy the design requirements.

Key words:low-temperature and low-pressure; DC convertor; bi-directional; high power

收稿日期：2015-08-20；修回日期：2016-02-29

作者简介：钟静宏(1974-)，男，博士，高级工程师，研究方向为航天推进系统新能源电测控技术、电源变换技术等。E-mail：zhongjinghong96@163.com

中图分类号：TM89

文献标识码：A

文章编号：1674-5825(2016)03-0343-04