基于PEMFC的控制系統(tǒng)電源的設(shè)計分析

PEMFC氫能發(fā)電機發(fā)出的是變化范圍較大的直流電，必須經(jīng)過穩(wěn)壓、逆變等轉(zhuǎn)換后，獲得穩(wěn)定的輸出電壓后才能應(yīng)用于負(fù)載。在PEMFC發(fā)電機的控制系統(tǒng)電源采用自發(fā)電供電時，電源系統(tǒng)需要適應(yīng)發(fā)電機的輸出特性。控制系統(tǒng)正常工作是發(fā)電機安全可靠運行的重要條件，可靠的電源是控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)，因此，研究適應(yīng)PEMFC發(fā)電系統(tǒng)輸出電特性的控制系統(tǒng)電源是非常必要的。

1 PEMFC控制系統(tǒng)電源總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文分析了一種輸入／輸出隔離型的DC／DC變換電路結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該電路采用單端反激式結(jié)構(gòu)，以PwM方式首先將PEMFC輸出的36～72 V直流電壓逆變?yōu)楦哳l方波，經(jīng)高頻變壓器降壓，再整流濾波得到穩(wěn)定的24 V和5 V直流電壓。其主要由三菱智能功率模塊(IPM)、高頻變壓器、整流濾波電容、霍爾電壓傳感器和PwM控制板組成，PWM控制板通過DSP實現(xiàn)。



2 主電路的設(shè)計

2.1 IPM功率模塊

IPM即智能功率模塊(intelligent power module)，它是將IGBT連同其驅(qū)動電路和多種保護(hù)電路封裝在同一模塊內(nèi)，使系統(tǒng)設(shè)計者可從繁瑣的IGBT驅(qū)動和保護(hù)電路的設(shè)計中解脫出來。

IPM選擇三菱智能功率模塊PM300HHA120，其包含一只300 A／1 200 V的IGBT，其內(nèi)部含有門極驅(qū)動控制、故障檢測和多種保護(hù)電路，并且內(nèi)置有電流傳感器。

IPM可以實現(xiàn)的保護(hù)功能有：控制電源欠壓保護(hù)(UV)；過熱保護(hù)(OT)；過流保護(hù)(OC)；短路保護(hù)(SC)。需要強調(diào)的是，IPM的保護(hù)功能自身并不能排除故障。在電路設(shè)計時應(yīng)利用故障輸出信號FO，使系統(tǒng)在故障發(fā)生時能夠封鎖IPM的輸入信號并停機。PM300HHA120的控制輸入和輸出都用光耦隔離，如圖2所示，采用隔離的電源單獨供電，確保安全可靠。



2.2 高頻變壓器

高頻變壓器的設(shè)計是研制開關(guān)電源的關(guān)鍵技術(shù)。單端反激式開關(guān)電源的變壓器實際是一個耦合電感，它實現(xiàn)直流隔離、能量存儲和電壓轉(zhuǎn)換的功能。它的性能不僅對電源效率有很大影響，而且關(guān)系到開關(guān)電源的電磁兼容性等技術(shù)指標(biāo)。

已知參數(shù)：直流輸入的最大電壓VIN=72 V；直流輸入的最小電壓VINmin=36 V；開關(guān)頻率fs=20 kHz；輸出電壓Vo1=5 V，Vo2=24 V；輸出電流Io1=1 A，Io2=0.5 A；輸出功率Po=5×1+24×0.5=17 W；電源效率η=80％；損耗分配系數(shù)Z=0.5，Z為次級損耗與總功率的比值；初級紋波電流Ir與初級峰值電流Ip的比值Krp=0.4。

(1)初級電感量的計算

初級峰值電流Ip的表達(dá)式為：


將數(shù)值代入后可求得Ip=1.17 A。

在每個開關(guān)周期內(nèi)，由初級傳輸給次級的磁場能量變化范圍是LpI2p／2～Lp(Ip-Ir)2／2。初級電感量由下式確定，并代人數(shù)可得：



(2)磁芯的選擇。鐵氧體軟磁材料是復(fù)合氧化物燒結(jié)體，電阻率很高，尤其適合高頻下使用，并且價格便宜，故本開關(guān)電源中的高頻變壓器使用R2KB錳鋅鐵氧體材料制成的磁芯。其在25℃時飽和磁感應(yīng)強度Bs=350 mT。磁芯工作磁感應(yīng)強度可選為飽和磁感應(yīng)強度的0.7倍，Bw=0.7Bs=245 mT。

根據(jù)功率和工作頻率選擇E135型磁芯，其Ap=1.52 cm4，Ae=1.04 cm2，Aw=1.46 cm2。

(3)確定變壓器各繞組匝數(shù)。確定變壓器的磁芯后，可根據(jù)下式求得變壓器原邊的匝數(shù)：



計算得：Np=100.2匝，實際取101匝。

對5 V輸出變壓器次級電壓Vs1=Vo1+Vl1+Vf1=5+0.3+0.4=5.7 V，其中變壓器次級繞組壓降Vl1為0.3 V，輸出肖特基整流管導(dǎo)通壓降VF1為0.4 V。

對24 V輸出變壓器次級電壓Vs2=Vo2+VL2+Vf2=24+0.6+0.7=25.3 V

其中變壓器次級繞組壓降VL2為0.6 V，快恢復(fù)整流管壓降Vf2為0.7 V。

計算次級繞組匝數(shù)：

對5 V輸出：