PEMFC低輸入電流紋波的升壓逆變器

魯鵬飛，詹躍東

（昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650504）

0 引 言

質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）具有連續運行時間長、功率密度高、工作溫度低以及無噪聲等特點，非常適合用于電動汽車電源、便攜式電源以及電網分布式發電等場合[1]。PEMFC發電系統作為一個低電壓、大電流的裝置，無法直接匹配較高的直流母線電壓，需要采用功率變換器進行升壓[2]。然而，低頻電流紋波是發電系統中功率變換器設計的一個主要問題。

輸入的低頻電流紋波控制在5%以內時，才能確保PEMFC發電系統的正常運行[3]。為了控制低頻輸入電流紋波，延長PEMFC的壽命，在功率調節系統中，學者們提出了3種主要類型的紋波電流減小策略：無源補償法，有源補償法以及無源+有源混合補償法[4]。部分學者針對拓撲結構進行了創新設計，針對DC-DC變換器，可以選用非隔離型變換器如Boost，SEPIC，Cuk及交錯并聯升壓變換器等，也可以選用隔離型變換器如推挽、全橋及推挽全橋變換器等。每種變換器有各自的優缺點。非隔離型變換器不具有電氣隔離[5]，而且部分變換器存在電壓增益低、開關管電壓應力高的問題[6-7]；推挽變換器相對于全橋變換器更適用于低壓環境[8]。AHMAD等[9]基于串聯和并行反饋控制技術，設計了一種帶有PI控制（Proportional Integral controller）的兩級前端升壓變頻器，增加了升壓變頻器的輸出阻抗，降低了該變頻器中的低頻電流紋波。劉佳等[10]設計并制作了推挽Buck型DC-DC變換器，通過數字化控制使其具有較強的抗負載及抗輸入擾動能力。另外，針對DC-AC變換器，可以選用半橋式逆變器和全橋式逆變器[11]。由于功率轉換器及其控制策略對燃料電池的可靠性和耐久性起著重要作用，因此許多學者最近研究了新穎的DC-DC和DC-AC功率變換器拓撲及其燃料電池中的低頻電流紋波的一些環節方式。ZHAN等[3]提出了一種前級DC-DC變換器采用推挽電路，后級DC-AC采用半橋式逆變器的拓撲結構，得到了較低的低頻電流紋波。LI等[12]提出了一種前級為交錯連接反激式DC-DC變換器，后級為全橋式逆變器的拓撲結構，能夠實現軟開關啟停，具有較高的效率和高升壓比，但是輸入電流紋波較高。

針對低頻輸入電流紋波會對PEMFC造成危害的問題，本文設計了一種帶有源鉗位的推挽全橋式變換器，并提出一種新的閉環控制策略，所設計的變換器能夠實現無源+有源混合補償。仿真結果顯示，直流輸入的低頻電流紋波為1.3%，并能實現推挽側功率開關管的軟開關工作，能夠滿足PEMFC發電系統的要求，可以增加PEMFC的壽命。仿真結果驗證了拓撲結構和控制策略的可行性。

1 拓撲結構

非隔離型雙向DC-DC變換器可以升降電壓，隔離型單向DC-DC變換器可以實現對PEMFC輸出電壓的升壓，AC-DC變換器可以將交流電壓轉換為直流電壓，DC-AC變換器可以將直流電壓轉換為交流電壓[13]。本文設計的變換器為圖1中黑線加粗的部分，即為DC-DC變換器和DC-AC逆變器的組合。

圖1 PEMFC發電系統結構圖

本文設計的變換器如圖2所示。圖2（a）中，變壓器左側在推挽電路的基礎上加入了有源鉗位電路，右側為全橋電路，將帶有源鉗位的前級電路和全橋電路相連接，其原邊可以在確保高電壓增益的前提下降低輸入電流紋波。在其組合拓撲的基礎上加入耦合電感IL，將電路中殘余的電流順著IL2流走，能夠解決PEMFC啟動和關斷對功率器件造成的影響，降低電路中功率元器件的電壓應力和電流應力；在副邊加入電容C6，能夠消除變壓器偏磁現象，削弱低頻電流紋波對PEMFC發電系統的影響。推挽側四個開關管Q1～Q4，Dq1～Dq4是其固有的寄生二極管，C3和C4為鉗位電容，Q1和Q2為輔助開關管，PEMFC的輸出電壓為24 V，直流側輸出電壓為380 V，LL為耦合電感，C5為輸入側電容，變壓器N1∶N2∶N3=10∶1∶1。全橋側四個開關管Qa1-Qa4，Dq1-Dq4是其固有的寄生二極管，C6為變壓器的隔離電容，C2為輸出側電容，R2和R3為線電阻，R1為輸出負載。

圖2（b）為兩電平DC-AC逆變器，包含六個開關管VT1～VT6，其固有的寄生二極管DT1～DT6，三相電感Labc，三相電容Cabc，三相電阻Rabc，電感LH以及電容CH。LH和CH是交流輸入側串聯的LC濾波器，可以有效地濾除輸入電流中的低頻交流成分，同時可以完全消除高頻交流成分，減小逆變器對直流變換器的影響[14]。Ua，Ub，Uc為相電壓，UAB，UBC，UCA為線電壓。

圖2 設計的拓撲結構

2 開關模態及變換器參數

2.1 帶有源鉗位的推挽全橋變換器的部分開關模態

帶有源鉗位的推挽全橋變換器的主要波形如 圖3所示。Q3和Q4起主要控制作用，相移為T/2，Q3和Q4占空比相等，占空比小于0.5。Q1和Q2與串聯的電容C3和C4起鉗位作用，Q1和Q2占空比相等，Q1與Q3的占空比互補，Q2與Q4的占空比互補。通過引入延時控制模塊控制Qa3和Qa4，可以在t1-t2模態和t6-t7模態實現推挽側功率開關管的軟開關開工作，軟開關工作模態如圖4所示。

圖3 推挽全橋變換器的主要波形

圖4 軟開關工作的開關模態

2.2 帶有源鉗位的推挽全橋升壓變換器參數

本文設計的DC-AC變換器的參數如表1所示。

表1 變換器基礎參數

3 閉環數字控制器設計

對于本文設計的DC-AC逆變器，提出一種新型的控制策略，用于降低PEMFC的輸出低頻電流紋波，同時能夠實現直流側部分開關管的零電壓 啟動。

圖3中，前級DC-DC變換器在連續電流條件下的直流電壓傳遞函數為：

式中：N=N1/N2，D3為電壓環控制輸出的占空比，VDC為直流母線電壓，VFC為PEMFC輸入電壓。

濾波后的直流輸出電壓和輸出電流可以表 示為：

由式（2）和（3）可得功率為：

式中：VBC為交流輸出的相電壓，iBC為交流輸出的相電流，PBC為交流輸出功率。

根據輸出功率等于輸入功率可得：

由式（4）和（5）可得直流輸出電流為：

由式（6）和電荷守恒定律可得輸出的直流母線電壓為：

采用帶有擾動占空比D1的最大功率跟蹤控 制，能夠有效地降低其輸出電流紋波，由圖4可得D1為：

式中：kp為比例控制增益。故可得：

式中：D2是當前紋波減少的紋波消除占空比。式（9）可以轉化為：

將式（1）和（7）代入式（10）可得：

根據式（12）可得，該系統為閉環的數字控制系統，可以獲得最佳的控制性能，不需要額外再添加硬件，可以純控制實現。整個拓撲結構的控制框圖如圖5所示。整個DC-AC逆變器的控制是在閉環的數字控制系統的基礎上加入延時控制模塊實現的。延時控制模塊通過控制副邊Qa3和Qa4的導通時長來實現原邊功率開關管Q1和Q2的軟開關工作。控制的后級逆變電路采用兩電平逆變器，控制部分首先進行交流部分參數檢測，其次進行環路控制，最后輸出SPWM波形，實現交流電壓輸出。

圖5 控制策略框圖

4 仿真結果

4.1 拓撲結構和控制器設計

本文改進的拓撲結構和控制策略在Matlab/Simlink環境中搭建DC-AC變換器的仿真模型如 圖6所示。

可以看出，圖6（a）為整個逆變器的結構，圖6（b）為DC-DC變換器的結構，通過圖6（c）可以實現對DC-DC變換器的控制，通過圖6（d）可以實現對DC-AC逆變器的控制。

圖6 Matlab仿真模型搭建

4.2 仿真結果分析

低壓側PEMFC輸出電壓為48 V，直流輸出電壓為380 V，其波形如圖7所示。Q3和Q4為主控開關管，Q1和Q2為輔助開關管。當Q3和Q4約為0.3，Q1和Q2約為0.7時，可以實現DC-DC部分的升壓變換。DC-AC部分線電壓為380 V，其波形如圖8 所示。

圖7 直流輸出電壓

圖8 DC-AC逆變器線電壓輸出

PEMFC的輸出電流紋波波形如圖9所示。從圖9可以看出，輸入電流紋波約為1.3%，可以達到PEMFC發電系統對低頻電流紋波的要求。

圖9 直流輸入電流紋波

4.3 仿真結果對比

本文設計的變換器與其他變換器的參數對比如表2所示。其中Ns，ND，NL，NC分別為開關管、二極管、電感及電容的數量，ZVS為零電壓開關，ZCS為零電流開關。

由表2可知，帶鉗位的推挽電路有較高的低頻電流紋波，文獻[12]提出的前級為交錯連接反激式DC-DC變換器，后級為全橋式逆變器的變換器雖然能夠實現開關管的軟開關工作，但是其本身有很高的低頻電流紋波，會降低PEMFC發電系統的使用壽命；文獻[4]提出的前級DC-DC變換器采用推挽電路，后級DC-AC采用半橋式逆變器的變換器雖然電流紋波為2.73%，達到了要求的5%以下，但不能解決開關啟停對電路造成的危害，仍然會縮短PEMFC發電系統的使用壽命。本文提出的變換器其電流紋波為1.30%，且能實現推挽側功率開關管的軟開關工作。

表2 DC-AC變換器參數對比

5 結 語

本文設計了一種前級為隔離式DC-DC變換器，后級為半橋式DC-AC逆變器的變換器結構，并提出了一種閉環控制策略。本文詳細說明了該變換器的工作原理，并說明了低頻輸入電流紋波對PEMFC發電系統的性能和使用壽命的影響，綜合設計了閉環數字控制器和時間延時控制結合的一種控制方法。仿真結果表明：部分開關管能夠實現軟開關工作，降低了開關管損耗，延長了開關管壽命，但是由于引入了時間延時模塊，并不是所有得開關管都能實現軟開關運行；該變換器中耦合電感與LCR濾波電路結合，為電感電流提供了續流通道，免除了PEMFC在啟動過程中電感電感電流飽和問題；數字控制器的設計能夠降低輸入的低頻電流紋波，輸入低頻電流紋波為1.30%，滿足PEMFC發電系統的需求。因此，本文設計的帶有源鉗位的隔離式DC-AC逆變器和提出的控制策略適用于PEMFC發電系統。