1前言
燃料电池技术是21世纪最有希望的一种新型能源技术。目前，地球上石油资料日渐短缺，大气环境日益劣化。应用燃料电池是解决能源紧缺和环境保护的有效途径。燃料电池的特点是：(1)电池发生电化学反应实质是氢气的燃烧反应。所需燃料氢或甲醇、汽油重整制氢和氧结合成水，无废气污染；(2)能量转换效率高，燃料电池有效能量可达60%~70%，其能量转换率高达90%；(3)污染小噪声低；(4)可靠性高；(5)比功率或比能量高；(6)适应能力强，可使用多种燃料。因此，燃料电池被认为是发展前景广阔的未来能源装置。在各个领域，诸如汽车、电动车等交通运输，固定电源或移动电源等很多应用中已得到普遍确认。对便携式电源应用中，一般结构必须以低压燃料电池作为一次电源，要获得绝缘的直流高电压，不可缺少DC/DC变换器，而DC/DC逆变器则用于获得交流电压。
按照2003年国际未来能源要求的规范，燃料电池额定的直流输出电压为22V，而交流负载是120/240V、5KW连续负载，10KW最大负载，为提供双重的交流输出，需要一绝缘的DC/DC变换器，用于将直流的低压转换成400V以上的直流电压，并满足240V的交流输出。
这一DC/DC变换器在燃料电池侧的电流，不可避免会大于240A，这对低电压大电流DC/DC变换器的设计提出了很大的挑战。该变换器必须能以高的电压转换率，又在高的功率下运行。变压器则要求既提升电压又能起到绝缘隔离的作用。但由于潜在的高漏电感，匝数比（变比）不宜过大。而且，高的开关频率更有利于减小无源元件的尺寸。为实现高的切换频率且改善变换器的效率，就需进行软开关的切换。在适合于大功率变换器应用的软开关技术中，移相控制是较为理想的，然而，对于单相全桥的PS变换器，仅在局限的负载范围内才能实现零电压切换（ZVS）。过去的努力均集中于解决这一问题。普遍采用的解决方法是增加一饱和铁心或使一些装置借附加电路在零电流切换（ZCS）条件下进行切换。
本文提出的由三相变压器绝缘的移相DC/DC变换器，其特点是：(1)由并联相位、而不是借并联多路器件来增加变换器的功率定额；(2)双重输出电压是通过变压器的△/Y连接，因而减少了匝数比；(3)利用交替的控制，减小输出滤波器和输入DC母线电容器的尺寸；及(4)在宽的负载范围、无辅助电路情况下实现零电压、零电流切换（ZVS/ZCS）。由于这些优点，这一变换器被极力推荐为低压高功率燃料电池和逆变器负载之间的接口电路。它还适用于其它低压电源，比如蓄电池和供给高压高功率直流至其它电路的光伏电池电源等。
本文还讨论了变换器的工作模式，并提出定性分析；建立了原型硬件设备且经过测试；试验结果验证了全部的设计与分析。
2推荐的多相DC/DC变换器
图1为推荐应用的变换器，它由3个全桥变换器组成。通过一组变压器将变换器的输出与三相全桥二极管整流器连接。作为绝缘隔离的变压器，其副绕组为Y接，能升高输出电压而无需增加变压器的匝数比。
在理想情况下，如果每单位（Pu）的电压1，施加于1个变压器的输入，而每单位的电压-1则施加于另一变压器的输入，然后，每单位的电压2将施加到副绕组的输出上。例如，若Va1·a2=Vdc和Vb1·b2=-Vdc，则在整流器的输出电压将为2nVdc，这是单相变压器输出的2倍。
此外，3个全桥单相变换器能以交替方式控制，这意味着它们的输出波形相位将彼此相隔120°，因此，整流器输出波形的频率将比开关切换频率增大6倍，因而可显著减小输出滤波器的尺寸。
3稳态工作模式的分析
在DC/DC变换器中，由于变压器副绕组的Y连接，各相之间产生相互影响，这一影响取决于每一全桥变换器引线之间的相位移(PS)角。为控制每一引线顶部和底部的开关，采用了附加的选通信号，根据PS调制角a的大小，变换器的工作模式可在0＜α＜60°、60°＜α＜120°和120°＜α＜180°三种情况下进行分析。
情况0＜α＜60°：选通信号及滤波器电感电流的波形示于图2。a1P代表相位引线a1的上部开关选通信号；类似地a2p、b1p、b2p、c1p、c2p分别是相位引线a2、b1、b2和c1、c2的上部开关选通信号。图3表示按照不同工作模式的各种电路结构。图4显示出横跨每一变压器原边绕组上的电压以及相应整流器输出的电压。
模式0(t0～t1)：在此模式下，A相对变压器施加一正的电压Udc，导致输出电感器电流，以至A相电流呈线性增加；其间，B相和C相由于变压器副边电流已整流而处于空载状态（freewheeing）。B相和C相电流之和等于A相电流的负值。此模式的时间间隔为△t=T·α/360°。
模式1（t1~t2）：这是一空载模式。所有三相均处于空载状态。电流经过A相和C相的上部开关与二极管以及B相的下部开关和二极管空转，变压器的输出电压全为零。因而使得输出滤波器电感电流随着-V0/Lf的斜率减小。此模式的△t=T（60°-α）/360°。
模式2（t2~t3）：在此模式期间，A相和C相继续处于空载方式，但引线c1的上开关断开而下开关接通。施加一负的电压（0-Vdc）至C相变压器原边，输出滤波器电感器的电压为nVdc，并导致电流随斜率(nVdc-V0)/Lf而增加。这一电流还从负的方向流径C相变压器的副绕组、整流后至原边。此模式持续到△t=Tα/360°。
模式3（t3~t4）：在这一模式的起点，引线c2上部开关断开而下部开关接通，驱动C相进入空载方式。因为A相和B相继续处于空载，无电压输出至变压器副边，导致输出滤波器电感电流随斜率-V0/Lf减小。此模式的时间△t＝T(60°-α)/360°。
模式４～11稳态运行的分析，类似于上述模式0~3的分析，但电流是经不同的相位流通的。在此情况下，至多不过1相传输DC母线电压至输出边。这样，理想的传送至输出的最高电压为nVdc，而最小电压为零，故平均输出电压是V0=nVdc·α/60°。
情况2，60°＜α＜120°：图5为情况2的顶部开关选通信号及电感电流的波形；图6所示为每个变压器原绕组上的电压及整流器输出的合成电压。在此情况中，至少1相和至多2相将DC母线电压传输至输出边故转换到输出的理想最高电压是2nVdc，而最小电压为nVdc。通过对情况1的类似分析，这一模式的持续时间分别是△t=T(α-60°)/60°及△t=T(120°-α)/60°，故平均输出电压可推导为：

情况3，120°＜α＜180°：图7为情况3的上部开关选通信号及电感电流的波形。每个变压器原绕组上的电压及整流器输出的合成电压示于图8，注意整流器输出的电压几乎为一恒定值。
在这一情况中，至少2相和至多3相传输DC母线电压至输出边输出电压重叠，因而任何时间转换到输出的理想电压为2nVdc。这也就是理想情况下滤波器电感电流恒定的原因。故平均输出电压不能控制，经常是(V0)=2nVdc。
因为电压变换比固定，变换器的性能像变压器一样，但变换器为直流的输入、输出电压。所以这一模式被定义为DC/DC变压器模式。
通过对上述三种情况的分析，作为相移（PS）调制角a函数的电压变换比，如图9所示。
当轻负载时出现第1种情况。无重叠，整个输出功率由1相的子变换器传递。在额定功率以下变换器完全可胜任勿需担心。当输出负载大时出现情况2和3，因负载电流至少由2个子变压器分担，在大负载情况下每相的子变压器传送的输出功率不会超过一半。
4 ZVZCS软开关的验证
本文提出的多相变换器，类似于单相PS变换器，在滞后的每相引线开关时易于实现ZVS接通。对于超前的引线，在其切换过渡期间，因三相通过变压器副边的Y联接而相连，1相电流受到其它2相的影响，电流的分配主要取决于相电感。相电感包括变压器的漏电感和每相中的任何其它杂散电感。如果相电感足够大，则在相当小的电流或接近ZCS情况下，能接通开关。
对提出的变换器在上述三种情况和下列参数条件下进行了模拟：25V DC的输入电压，30Ω电阻的输出负载，50kHz开关频率和每一引线500ns（1纳秒=10-9秒）的空载时间（deadtime）控制。其它的电路参数为：每相的原绕组边23nH（纳亨）漏电感，滤波器电感70μH（微亨）以及滤波器电容2.2mF。对PS调制角α：情况1为40°，情况2为80°，而情况3采用150°。
因彼此的相位移120°，A、B和C各相位是相同的。合成的波形均类似，故在图10仅给出A相的波形，并记录了相电流和器件消耗于电源（dvain-to-Source）的电压。模拟试验结果证实：滞后的引线开关是在ZVS条件下操作的。同时从模拟试验中，我们能看到超前的引线a1开关是在零电流下接通的。当a1p和a2p或a1n和a2n同时导通时，相电流ia将在惯用的全桥变换器中连续流通。在三相结构中，来自另外2个导通相位的结合电流将承担负载，并转换这一空载电流ia。因而在没有附加电路转换下，便自然形成了超前引线的ZCS条件。
在情况1和2中，为得到相同的输出电压，大负载下，由于元件的压降，需要较大的PS调制角，故在宽负载范围、带闭路调节时，变换器在软开关切换下工作。如上所述，又以相同的PS调制角，进行了由改变负载电阻以得到400V输出的另一模拟试验，模拟结果的比较，证实了在改变负载条件下也能实现ZVZCS的软开关操作。
5原型试验验证
为验证这一变换器新颖的拓扑结构，建立了原型设备和试验。由于对功率器件引脚的电流限制，这一设备的定额为3kW，它由3个主要部分组成：6引线的变换器功率板，一套3个的变压器以及输出的整流/滤波器板。在这一试验装置中，3个全桥单相的变换器用外部的时钟信号同步化，并借相同的基准信号控制。这样，具有调谐好的斜波信号，每相2根引线之间的PS调制角相同。这一定时很关键，如稍有不匹配，就可能在变压器的原绕组之间引起大的能量循环。
该原型设备的实际变换比率示于图11。如图所示，试验结果说明，匹配很接近理想情况下的比率。存在的稍许偏差，是由于引线开关中空载时间控制引起电路中的功耗，以及电路电感引起的断续负载损耗所致。
试验结果还验证了变换器的软开关操作，装置的开关切换波形示于图12。图12(a)为在通用的电路参数下，装置按ZVS断开；图12(b)为超前引线装置接通的波形而滞后引线装置接通开关的波形示于图12(c)，须注意的是：这些接通切换的波形仅在10%的负载下和ZVZCS操作下得到的，增加负载时更有助于装置实现ZVZCS操作。
上述的软开关操作改善了系统的效率。图13的曲线表示在不同负载下测量的系统效率，误差界限±1%。在2KW功率自然对流通风条件下，散热系统的温升低于20℃。
DC/DC变压器模式下的试验结果示于图14。图中平稳的电感器电流输出，说明输入电流的波边已因三相的交替运行而被消除。由于主要无源元件，包括输出滤波器电感器和输入直流母线的电容器尺寸的减小，还可望大幅度降低成本。
6结论
本文提供了效率高达96%以上、由三相变压器绝缘的新型DC/DC变换器。移相（PS）调制用于实现装置的软开关切换，而多相结构减少了每相电流的有效值（rms），因而无需并联多路系统也可降低I2R导通损耗。此外，三相变压器副边绕组的Y连接。使输出电压倍增而未提高匝数比。因此，这一变换器成了低压电源和大输入电流的高功率变换器的首选设计。
总之，主要的设计特点与优点是：随着△/Y的连接，变压器的变比系数小；由于交替的控制而减小了输出滤波器和输入电容器的尺寸；在宽的负载范围内无需辅助电路的零电压、零电流切换（ZVZCS）；以及高的系统效率。这些优越的性能使提供的这一变换器，非常适合于低压燃料电池应用场合。
为进一步降低附加的杂散损耗和提高效率，进行过多种分析和研究。强调效率是因为它意味着对燃料电池有较好的工作条件，能节约氢燃料及对散热系统的要求较低。电感电流的波动实际上因交替运行而消除，故可进一步的减小输出滤波器；减小无源元件和散热装置，这均说明装置的尺寸和重量可减小，成本可节约。
参考文献
[1]美国 Changrong Liu， Amy Johnson 等，A Novel Three-Phase High-Power Soft-Switchec DC/DC Converter for Low-Voltage Fuel Cell Applications，《IEEE TRANSACTION on industry Applications》 Vol.41 No.6.2005.11-12月.
[2]豪彦，燃料电池——21世纪最有希望的一种新能源《汽车配件》