基于混合电池和燃料电池的电动垂直起降飞行器(eVTOL)被视为近期未来可持续的城市交通方式。其电力驱动系统的一个关键要求是需要一种轻量化、宽电压范围且高效的双向升降压DC-DC变换器。

在本文中，我们总结了一项基于氮化镓的飞电容变换器拓扑的研究结果，该拓扑在此应用中展现出良好前景。

eVTOL飞行器任务剖面

在由瑞士苏黎世联邦理工学院电力电子系统实验室的David Menzi及其同事进行的研究[1]中，为航程800公里的eVTOL飞行器设定了任务剖面。研究考虑了一种混合电源，包括电池和燃料电池。

基于氢的燃料电池具有高能量密度。氢作为燃料的能量密度为33 kWh/kg，并且可以快速加注。一个净燃料电池系统(包括氢罐和燃料电池的重量)实现了2350 Wh/kg的重量能量密度。

燃料电池的缺点在于其重量功率密度较低(约2 kW/kg)，且与电池相比响应时间较慢。本研究考虑了先进电池，其重量功率密度为3 kW/kg，但能量密度相对较低，为340 Wh/kg。因此，在电源中加入电池可以克服燃料电池的主要缺点。

燃料电池的电压主要随其功率消耗而变化。相比之下，电池电压取决于多种因素，例如其荷电状态、温度、充放电历史等。在功率变换设计中，考虑电池电压范围为450V至720V，而基于任务剖面，燃料电池电压范围为480V至800V。

需要一款升降压DC-DC变换器来连接这两种电源。图1展示了一款基于三电平飞电容的设计。

图1

如图所示，连接到燃料电池侧的逆变器驱动电机A，连接到电池侧的逆变器驱动电机B。

研究考虑了一款六旋翼eVTOL飞行器，航程800公里，起飞重量1900公斤，巡航速度250公里/小时。任务剖面包括多个阶段：

悬停阶段

尽管悬停阶段在总共196分钟的飞行剖面中仅占2分钟，但倾转旋翼飞行器的一个不利因素是悬停效率低，仅为约5公斤/千瓦。假设电机效率为90%，这意味着传动系统的功率需求为420千瓦。该需求可由燃料电池供电的电机和电池供电的电机按比例分担。

使用电池侧供电的4个旋翼和燃料电池侧供电的2个旋翼，需要电池提供280千瓦，燃料电池提供140千瓦。一个100公斤、容量34千瓦时的电池可提供充足的余量。在持续至飞行器达到50米高度的悬停阶段，燃料电池和电池各自向其对应侧的电机提供满功率，此时升降压变换器不进行功率变换。该阶段结束时，电池电量消耗至16千瓦时。

爬升阶段

在此阶段，功率完全由燃料电池提供。升降压变换器将功率从燃料电池传输至电池侧的逆变器，以提供140千瓦功率，同时向其自身侧的逆变器提供70千瓦功率，总计功率使用量为210千瓦。由于功率较高，燃料电池电压降至其最低值480V，如图2所示。

图2

巡航阶段：在此阶段，燃料电池再次向电机提供全部135千瓦功率。变换器向电池侧传输90千瓦，其中5千瓦可用于给电池充电。

下降阶段：此时，系统功率需求最小，因此燃料电池电压处于其最高值。

升降压变换器设计与结果

设计：2L非逆变式 vs 3L飞电容式

本研究比较了多种变换器拓扑。图1所示的2L非逆变式升降压变换器与3L飞电容升降压变换器之间可进行有趣的比较。

以下是这两种变换器的一些规格：

·2L：使用Wolfspeed的C3M0016120K(1200V，16mΩ)开关管。开关频率为275kHz，电感值为13.4µH，变换器总重量为346克。因此，这款150kW变换器的重量功率密度为44 kW/kg。

·3L：使用英飞凌科技公司的650V，21mΩ增强型氮化镓高电子迁移率晶体管，开关频率为400kHz。因此，电感纹波的有效开关频率为800kHz。该变换器的重量功率密度为86 kW/kg。使用的电感值为7.5µH。

图3详细比较了变换器的重量。2L变换器的重量主要由电感贡献。3L变换器的一大优势是降低了电感电流纹波和电感尺寸。

图3

测试的变换器为15kW原型机，采用液冷以保持温度低于100°C。变换特性在整个图2所示的电压范围内进行了表征。2L和3L变换器分别实现了99.1%和98.9%的峰值效率。对变换器的损耗分解研究表明，在降压条件下(即电池侧电压 < 燃料电池侧电压)，燃料电池侧开关管的开关损耗占主导;而在升压条件下，电池侧开关管的开关损耗占主导。

有趣的是，作者的另一项研究[2]将一款7L飞电容变换器与2L和3L变换器进行了比较。该研究使用了200V，10mΩ的氮化镓器件作为开关管。结果发现，7L变换器的重量功率密度与2L系统相似。

随着电平数的增加，磁性元件对总重量的比例贡献会减少;然而，增加的飞电容、带栅极驱动器的半导体开关管以及增大的冷板面积会在变换器总重量方面带来不利影响。

3L系统在该指标上表现更优。同样值得注意的是，进一步的重量减轻与变换器效率之间存在权衡关系。当重量功率密度超过80 kW/kg时，其效率会下降。这需要通过其他方式来补偿，例如增加氢罐质量，但这会导致整体系统的不利影响。