燃料電池DC/DC變換器的設(shè)計(jì)

王曄

(許昌學(xué)院，河南許昌461000)

燃料電池DC/DC變換器的設(shè)計(jì)

王曄

(許昌學(xué)院，河南許昌461000)

DC/DC變換器作為燃料電池供電系統(tǒng)中的重要組成部分，必須要求其有較高的轉(zhuǎn)換效率。針對(duì)燃料電池的特性設(shè)計(jì)出一種簡(jiǎn)單高效的兩級(jí)DC/DC變換器，該變換器以TMS320F2812為控制器核心，Boost和全橋移相電路為主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。介紹了硬件系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和主要參數(shù)的計(jì)算，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)證明此DC/DC變換器的轉(zhuǎn)換效率大于90%。

DC/DC變換器；燃料電池；轉(zhuǎn)換效率

隨著人們對(duì)環(huán)保和能源的供給越來(lái)越重視，汽車行業(yè)的發(fā)展越來(lái)越引起人們的重視。當(dāng)前在可用于替代汽油和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)中，最被看好的是燃料電池技術(shù)。由于燃料電池的輸出特性較軟，其端電壓變化范圍比較寬，因此DC/DC變換器前級(jí)需要一升壓環(huán)節(jié)，主要是在提高燃料電池輸出電壓的同時(shí)達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的，此外前級(jí)系統(tǒng)要實(shí)時(shí)跟蹤燃料電池最大功率點(diǎn)，現(xiàn)有DC/DC變換器其最大功率點(diǎn)追蹤往往很不到位，這就會(huì)影響系統(tǒng)的工作效率，為此本文介紹了一種燃料電池DC/DC，以Boost和全橋移相電路為主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)主電路參數(shù)進(jìn)行了精確設(shè)計(jì)，大大提高了系統(tǒng)的工作效率。

1 燃料電池DC-DC變換器硬件系統(tǒng)的構(gòu)成

DC/DC變換器作為燃料電池供電系統(tǒng)中的重要組成部分，必須要求其有較高的轉(zhuǎn)換效率；由于燃料電池的輸出特性軟，為了能提供穩(wěn)定的輸出電壓還要求DC/DC轉(zhuǎn)換器有較高的自適應(yīng)能力和一定的升壓能力。基于這些要求本文研究了一種兩級(jí)DC/DC變換器，其硬件系統(tǒng)主要由前級(jí)Boost系統(tǒng)及全橋移相控制系統(tǒng)兩部分組成。圖1為燃料電池DC-DC變換器硬件系統(tǒng)構(gòu)成圖。

圖1 燃料電池DC-DC變換器硬件系統(tǒng)構(gòu)成圖

開(kāi)關(guān)電源給系統(tǒng)供電，當(dāng)系統(tǒng)帶電起動(dòng)后TMS320F2812 DPS實(shí)時(shí)跟蹤采樣電路采樣的輸入輸出數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計(jì)算，將產(chǎn)生PWM信號(hào)傳送到隔離驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定燃料電池電壓的功能，此外電路還具有自適應(yīng)功能，即當(dāng)控制信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，控制算法也隨之做出調(diào)整，DC/DC變換器能實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。

2 前級(jí)Boost系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于燃料電池的端電壓變化范圍比較寬，其前級(jí)升壓環(huán)節(jié)，不僅要提高燃料電池的輸出電壓，還要完成穩(wěn)定輸出電壓和對(duì)燃料電池最大功率點(diǎn)進(jìn)行追蹤的任務(wù)，本文采用Boost系統(tǒng)作為前級(jí)電路，其主要由Boost主電路和控制電路兩部分組成。Boost主電路如圖2所示。

2.1 Boost主電路參數(shù)

Boost主電路的作用是對(duì)燃料電池的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，經(jīng)Boost電路變換后的電壓可以達(dá)到某個(gè)穩(wěn)定的值，減少了反向尖峰電壓作用于開(kāi)關(guān)管上所造成的元件損耗。Boost主電路參數(shù)的選擇直接影響系統(tǒng)性能的好壞。

圖2 燃料電池DC/DC電源變換器主電路圖

本文設(shè)計(jì)的大功率燃料電池DC/DC變換器的技術(shù)指標(biāo)是：輸入電壓：80～250 VDC；輸出電壓：220 VDC；輸出功率：5 kW；開(kāi)關(guān)頻率：20 kHz；功率因數(shù)>95%。基于此技術(shù)指標(biāo)我們對(duì)主電路的電感、電容參數(shù)做了精確計(jì)算，并對(duì)功率管和二極管做了選型。

(1)電感參數(shù)計(jì)算

本文是根據(jù)波紋電流值來(lái)確定電感值的，具體算法如下：

假定電路具有理想的功率，則：

式中：Pi是從燃料電池吸收的功率；P0是PFC電路輸出的瞬時(shí)功率。取η=0.8則輸入最大峰值電流：

則流過(guò)電感的最大電流為：

實(shí)際電路中，取L=1.5 mH。

(2)電容參數(shù)計(jì)算

為了使電路維持時(shí)間達(dá)到要求，本文實(shí)際電容值按式(4)計(jì)算：

式中：Δt為維持時(shí)間；vo_min為最小輸出電壓值。

若Δt=34 ms，設(shè)vo_min=80%×vo=320 V，則可計(jì)算：

實(shí)際電路中，取C=12 mF。

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

DSP控制系統(tǒng)的核心為TMS320F2812DSP，本文選用的TMS320F281是目前工業(yè)控制和機(jī)器人控制等領(lǐng)域中最高檔的DSP之一，該芯片資源非常豐富，可大大簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)。

(1)電源電路設(shè)計(jì)

TMS320F2812DS除CPU內(nèi)核電源外，其余的各個(gè)電源均為3.3 V，為了保證各模塊在上電的時(shí)候保持正確復(fù)位狀態(tài)，保證芯片正常工作，本文選用了型號(hào)為TPS73HD301的芯片作為DSP的電源供應(yīng)，它的參數(shù)如表1所示，具體電路如圖3所示。

TPS73HD301?? ?0.3～11 3.3 1.2～9.75 750?????????????????????????????/V ????/V????/V????/mA

圖3 DSP電源供電電路

(2)采樣電路

TMS320F2812 DPS進(jìn)行控制算法時(shí)需要采樣電路提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，電壓、電流數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)的精確性與穩(wěn)定性直接影響著系統(tǒng)的工作效率。本文采用TLC2543組成A/D轉(zhuǎn)換電路，由TLC2543完成逆變主電路輸出峰值電流、直流電壓、電流有效值的采集。其工作過(guò)程如圖4所示。電壓、電流霍爾傳感器的輸出信號(hào)一路經(jīng)過(guò)跟隨，濾波，然后通過(guò)阻容電路變成平滑的直流有效值信號(hào)，輸入到TLC2543的一個(gè)模擬輸入通道。因?yàn)門LC2543的工作電壓為5 V，所以進(jìn)入AD的芯片采樣信號(hào)幅值必須在0～5 V，同時(shí)加上限幅電路，以免過(guò)高信號(hào)進(jìn)入AD模擬通道端口，損壞芯片。

圖4 采樣電路

3 全橋移相控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 主電路參數(shù)選擇

(1)超前橋臂并聯(lián)電容的選擇

設(shè)電路電流恒定，則開(kāi)關(guān)管電壓上升時(shí)間等于電容充放電時(shí)間：

若5 kW電源IP(OFF)先取值12 A，取開(kāi)關(guān)管電壓上升時(shí)間為電流下降時(shí)間的3倍：

則超前橋臂并聯(lián)電容為：

(2)滯后橋臂并聯(lián)電容的選擇

根據(jù)前面的推導(dǎo)超前橋臂電容C1=C3=2 850 pF，滯后橋臂并聯(lián)電容可取值為：

又因?yàn)镮GBT有160 pF的輸出結(jié)電容，故5 000 W軟開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)電容取C2=C4=1 800～2 000 pF。

(3)諧振電感的設(shè)計(jì)

諧振電感不僅要有濾波功能，還要為實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)提供足夠的能量。而諧振電感要實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的ZVS，必須滿足以下的條件:

式中：Coss為場(chǎng)效應(yīng)管的輸出電容；Lr為諧振電感；Ip為滯后橋臂開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)原邊電流的大小。

IKW25T120的場(chǎng)效應(yīng)管輸出電容為160 pF，Vimax=358 V，所以串聯(lián)諧振電感Lr=3.6 mH。

3.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)IGBT的驅(qū)動(dòng)電路由VLA517和光電耦合電路組成，此電路不僅保證了驅(qū)動(dòng)功率，而且具有很強(qiáng)的抗干擾能力，具體電路如圖5所示。

圖5 IGBT驅(qū)動(dòng)電路

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在設(shè)計(jì)過(guò)程中我們對(duì)主電路進(jìn)行了測(cè)試，主要技術(shù)參數(shù)：額定功率5 kW；電源電壓48 V±10%；額定輸出電壓220 V±1%(DC)；額定電流28 A；輸出電壓紋波不大于7 V；過(guò)載能力42 A(2 min)；效率大于等于90%；具有輸入過(guò)壓、欠壓、過(guò)流，輸出過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)溫等保護(hù)功能。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：圖6為開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓及高壓側(cè)的電流波形，從圖中可以看出輸出電壓為220 V時(shí)，其輸出電流為8.5 A，變換器的效率為91.8%。

圖6 開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓及高壓側(cè)的電流波形

5 總結(jié)

本文以TMS320F2812為控制器核心，Boost和全橋移相電路為主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),介紹了兩級(jí)DC/DC變換器硬件系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和內(nèi)核模塊的設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)選用全橋電路不僅能提高變壓器鐵心的利用率，還可以減小開(kāi)關(guān)管的應(yīng)力，但與此同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中我們也發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)變壓器的偏磁現(xiàn)象并沒(méi)有得到改善，這也是我們今后努力的一個(gè)方向。

[1]方如舉，呂延會(huì)，張?jiān)?燃料電池逆變供電系統(tǒng)的建模和控制[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(3)：90-94.

[2]孫嬌俊，孫濤，龔春英.一種用于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的前級(jí)DC/DC變換器[J].電力電子技術(shù)，2009，43(2)：17-18.

[3]曹文思，楊育霞.基于狀態(tài)空間平均法的BOOST變換器仿真分析[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19(6)：1329-1334.

[4]金科，阮新波，楊孟雄.復(fù)合式燃料電池供電系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，23(3)：92-98.

[5]吳屏，朱選才，徐德鴻.高效燃料電池發(fā)電系統(tǒng)前級(jí)DC/DC變換器[J].電力電子技術(shù)，2007，41(9)：169-171.

Design of fuel cell DC-DC converter

WANG Ye
(Xuchang University,Xuchang Henan 461000,China)

As a key part of a fuel cell,DC-DC converter needs higher conversion efficiency.According to the feature of fuel cell,a simple and efficient two-stage DC-DC converter was designed.In the converter topology structure,a TMS320F2812 was adopted as core controller,and Boost and phase-shift full bridge were adopted as main circuit.The hardware system overall design and key parameter calculation were introduced.The simulation and experimental data prove that the conversion efficiency is higher than 90%.

DC-DC converter;fuel cell;conversion efficiency

TM 911

A

1002-087 X(2016)08-1613-02

2016-01-04

河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(072102240033)

王曄(1982—)，男，河南省人，講師，主要研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化。