通訊基站大功率PEMFC 備用電源DC/DC 變換器的設計與應用

古云蛟，朱新堅，邵 孟，曹弘飛

0 引言

質子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種極具應用前景的電化學發電裝置，可廣泛運用于汽車動力、分布式發電、應急備用電源等領域。在過去的十幾年當中，世界各國的科研機構與企業都紛紛投入大量資金與精力用于PEMFC的研發，與此同時PEMFC 在各個領域的應用也越來越廣泛，被認為是最適合作為汽車動力和分布式發電的電源[1]。近年來，在通信基站中采用PEMFC 作為備用電源也越來越普及，通信基站中采用PEMFC 作為備用電源相對于傳統備用電源具有可靠性高、維護成本低、使用壽命長、節能環保等優點[2]。

PEMFC 具有：1)功率密度與能量轉換效率高；2)運行溫度較低(50℃～80℃)；3)啟動速度快等優點，但由于負載和氣體流量等因素的變化導致PEMFC的輸出電壓具有不穩定性與多變性[3]，使得PEMFC 在實際應用時必須使用DC/DC變換器進行穩壓控制。目前燃料電池汽車中大多采用雙向DC/DC 變換器，以實現電池低壓輸出和高壓直流母線之間的能量轉換，同時匹配不同工況下燃料電池汽車的能量輸出與回收。在分布式發電中則大多采用升壓隔離型DC/DC 變換器，先對燃料電池輸出進行升壓，再通過逆變器進行逆變并網[4]。然而，針對通信基站中大功率PEMFC 備用電源DC/DC 變換器的研究[5]，在目前尚處于起步階段。由于通信備用電源對電壓的穩定性要求較高，因此，采用PEMFC 作為通信基站的備用電源時，不僅要優化PEMFC的性能，還要合理設計相應的DC/DC 變換器。本文針對某通信基站備用電源采用7KW PEMFC，給出了一個DC/DC 變換器的完整設計方案。

1 DC/DC 變換器主電路拓撲及其工作原理

針對本設計中的7KW PEMFC 低電壓大電流的輸出特性，其電氣輸出特性曲線，如圖1所示：

圖1 7KW PEMFC的電氣輸出特性

采用同步BUCK 變換器作為主電路拓撲。同步BUCK變換器因具有效率高、結構簡單緊湊、易于控制等優點，在通信、IT、航天以及其它工業領域得到了廣泛的應用[6]。同步BUCK變換器在實質上與普通的BUCK降壓變換器相同，僅在原BUCK 電路的基礎上將原先的續流二極管替換為一個可控的功率開關管，同步BUCK 變換器的拓撲結構，如圖2所示：

圖2 同步BUCK 降壓DC/DC 變換器

其工作原理為：同步BUCK 變換器的開關管Q1 不斷導通關閉，交替給電感L 充電，當開關管Q1 關斷時，開關管Q2 就導通，來為電感續流[7]。盡管采用功率開關管代替續流二極管使得控制電路設計更加復雜，但功率開關管的快速的導通響應以及較低的導通電阻，使得變換器的轉換效率大大提高，而且特別適合低電壓大電流的用電場合[8]。如圖3所示：

圖3 同步BUCK 變換器連續導通模式波形

為同步BUCK 變換器電感電流連續導通模式下各器件的電壓電流波形，其穩態工作過程分析[8]如下：

（1）當Q1 導通Q2 關斷時，即在0＜t≤DT 期間，輸入電源Uin不斷給電感L 充電，此時變換器主回路根據基爾霍夫電壓定律滿足，公式（1）：

（2）當Q1 關斷Q2 導通時，即在DT ＜ t ≤T 期間時，由電感L 向輸出不斷放電，此時變換器由基爾霍夫電壓定律可知公式（2）

其中，T 是開關管Q1的工作周期，D 是開關管Q1 導通的占空比。由于電感L 是儲能元件，在同步BUCK 變換器穩態工作條件下，一個工作周期T 內，電感L的充電量應等于放電量，即有公式（3）

故有公式（4）

式（4）表明，同步BUCK 變換器的輸入輸出電壓之間只與占空比D 有關，因此只要不斷合理調節開關管Q1的占空比D的大小，就能使得輸出電壓穩定在需要的設定值，占空比D 在0 到1 之間變化。

2 DC/DC 變換器控制單元和輔助單元設計

同步BUCK 電路是DC/DC 變換器的主電路，除此之外DC/DC 變換器還包括控制單元和輔助單元電路，其性能直接影響同步BUCK 電路的工作質量和整機的正常運行。控制單元和輔助單元電路與同步BUCK 電路共同構成DC/DC變換器的總體硬件電路。其系統結構圖，如圖4所示：

圖4 DC/DC 變換器系統結構圖

2.1 控制單元

控制單元選用TMS320LF2407 DSP[9]-[11]，它內部包含兩個EV 模塊EVA 和EVB，均有兩個16 位通用定時器，8個16 位脈寬調制（PWM）通道，能夠輕易的實現多路PWM控制波形的對稱或非對稱輸出，以及快速的PWM 通道關閉（當外部引腳PDPINTx 出現低電平時）。另外它具有16 通道的A/D 轉換器，并且轉換器精度達到10 位，最小轉換時間為500ns，可分別由兩個EV 來觸發。控制單元通過A/D轉換器采集DC/DC 變換器高低端電流電壓值，經過DSP 實現電流電壓雙閉環增量式PI 控制算法，控制EV 產生相應的PWM 控制信號。控制單元利用TMS320LF2407 DSP 包含的串行通信接口SCI 模塊與上位機產實現RS232 串行通信，并實時檢測變換器溫度，控制散熱風扇的運轉，保障變換器正常工作。

2.2 DC/DC 變換器電流電壓檢測傳感器

要實現DC/DC 變換器輸出穩壓控制，就需要采集輸出端的電壓電流值作為反饋控制信號，同樣要實現輸入端的過欠壓保護和過流保護，也需要采集輸入端的電流電壓信號。本設計中，輸入端和輸出端的電壓和電流采樣分別用傳感器LV25-P 和LT308-S7，LV25-P 連接示意圖，如圖5所示：

圖5 LV25-P 連接示意圖

可用以檢測500V 以下的直流電壓、交流電壓以及脈沖電壓，LT308-S7 連接示意圖，如圖6所示：

圖6 LT308-S7 連接示意圖

其原邊額定有效電流為 300A，電流測量范圍為0～ 500A。這兩種傳感器供電電壓均在 12V 到 15V 之間，且都具有準確的精度和良好的線性度以及快速的響應能力和抗干擾能力，能很好地滿足系統要求[12][13]。

2.3 IGBT 門極驅動電路

根據該 7KW PEMFC的輸出特性，本設計選用FF450R12KT4 型號的IGBT 模塊作為同步BUCK 變換器的開關管，它可承受的電流電壓可達到450A/1200V[14]。由于它所需要的瞬時驅動電流較大，為了保證IGBT的驅動的可靠性和安全性，本設計中采用了雙重 SCALE 驅動器2SD315A。2SD315A 能輸出很大的峰值電流，具有很強的驅動能力和很高的隔離電壓能力，它有兩個驅動輸出通道，適合驅動1200V 或1700V 等級的兩個單管或一個半橋式的雙單元IGBT 模塊[15][16]。因此，2SD315A 非常適合作為FF450R12KT4的驅動單元，2SD315A 半橋驅動電路，如圖7所示：

圖7 2SD315A 半橋驅動電路

其中INA 為PWM 輸入信號，INB 為使能信號，高電平有效，SO 為輸出狀態檢測信號。另外，2SD315A 驅動模塊還具有過流和短路保護功能，能夠很好實現同步BUCK變換器的電壓變換功能。

2.4 溫度傳感器

對于 7KW 功率級的大電流DC/DC 變換器，散熱是重要的性能指標之一，因此要為DC/DC 變換器設置溫度傳感器，來檢測溫度變化；一方面為散熱風扇轉速大小的控制依據，另一方面當散熱系統不足以滿足散熱要求時作為過溫保護的觸發信號。本設計采用可組網數字式溫度傳感器DS18B20，其溫度檢測范圍為-55℃～+125℃，精度可以達到±0.5℃，不需要A/D 轉換，直接將溫度值轉換為數字量，并使用單線串行通信方式與主控芯片交換數據[17]。DS18B20與主控芯片DSP 接線原理圖，如圖8所示：

圖8 DS18B20 連接示意圖

2.5 RS232 串口通信電路

TMS320LF2407 DSP 內部具有兩個相同的SCI 模塊，SCIA 和SCIB。SCI 模塊的接收器和發送器都帶有16 級深度的FIFO，并且接收器和發送器都具有獨立的使能和中斷位，可以在半雙工模式下獨立操作，也可以在全雙工模式下同時操作。基于DSP 兩個SCI 模塊設計通信RS232 串口，選用MAX3232 芯片[18]，利用雙電荷泵實現3V～5.5V電壓供電時，轉換到+5.5V（倍壓電荷泵）和-5.5V（反相電荷泵）輸出電壓，可以保證數據傳輸速率至少在120kbps，其具體設計電路，如圖9所示：

圖9 RS232 串口電路

3 DC/DC 變換器控制軟件設計

本設計方案中軟件的開發環境為CCS（Code Composer Studio），它是TI 公司專門為DSP 軟件開發應用設計的集編譯、仿真、下載為一體的DSP 開發軟件，基于CCS 可以通過編程對DSP 內設進行操作，實現相應的功能。基于DSP實現同步BUCK 變換器的實時控制軟件程序主要包括兩個方面，其一就是實現變換器輸出電壓的穩壓調節，其二就是實現變換器工作過程中的過欠壓保護、過流保護、過溫保護等功能。控制軟件的流程圖，如圖10所示：

圖10 控制軟件流程圖

4 DC/DC 變換器性能測試

為了驗證本文設計的DC/DC 變換器的性能，我們研制了一臺DC/DC 變換器實驗樣機。實驗樣機，如圖11所示：

圖11 DC/DC 變換器樣機

電路主要參數為：輸出電感 L=0.5mH；輸出電容C=65uF；測試輸入電壓Uin=43V～110V；開關頻率fs=20KHz；功率開關管選用英飛凌FF450R12KT4 型號的雙IGBT 模塊，PWM 驅動電壓為±15V，驅動電路輸出的PWM 控制波形，如圖12所示：

圖12 PWM 控制信號電壓波形

為DC/DC變換器的輸出電壓電流的波形，如圖13所示：

圖13 輸出電壓電流波形

5 結束語

本文基于同步BUCK 變換器拓撲設計了某通訊基站7KW PMMFC 備用電源的 DC/DC 變換器，采用TMS320LF2407 DSP 作為主控芯片，運用電壓電流雙閉環增量式PI 控制，實現了對DC/DC 轉換器的全數字閉環控制，并且使得該DC/DC 變換器具有過欠壓保護、限流保護、過溫保護等功能。通過對相關元器件的合理設計與選型，最終針對該7KW PEMFC 制成了DC/DC 變換器的樣機，然后對樣機進行了性能測試實驗。實際測試結果表明，本文設計的DC/DC 轉換器能夠很好的適應該7KW PEMFC的大電流輸出特性，并實現PEMFC的輸出電壓的調節功能，對于不同的輸入電壓變化都能保持輸出電壓的穩定，為通訊基站大功率PEMFC 備用電源用DC/DC 變換器的設計提供了一種實際可用的方案，同時也為進一步研究各個功率級別的PEMFC的DC/DC 變換器積累了重要經驗。

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