燃料電池用前級直流變換器設(shè)計

1、燃料電池用前級直流變換器設(shè)計 畢 業(yè) 論 文 題 目 燃料電池用前級直流變換器設(shè)計 學(xué)院 電氣學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及自動化 年 級 學(xué) 號 姓 名 導(dǎo) 師 定稿日期： 2014年 5 月 20 日II燃料電池用前級直流變換器設(shè)計 摘要燃料電池作為一種清潔高效的分布式新能源，具有廣泛的應(yīng)用前景。它具有很多優(yōu)點,如發(fā)電效率高、功率密度大、環(huán)境友好以及運行穩(wěn)定可靠等。但因其輸出直流電壓隨著負(fù)載波動幅度較大，必須具備升壓穩(wěn)壓功能的高效率電力變換器。選擇電壓型全橋移相零電壓軟開關(guān)直流變換器作為燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的升壓前級，對此前級直流變換器進(jìn)行硬件參數(shù)計算，采用電壓電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，通過MATLAB/

2、SIMULINK仿真軟件驗證所設(shè)計的硬件參數(shù)和軟件算法，使得輸出電壓能夠穩(wěn)定控制，并且具有較強的抗負(fù)載波動能力和較高的轉(zhuǎn)換效率。關(guān)鍵詞：直流變換器；電壓型全橋移相；零電壓軟開關(guān)；仿真ABSTRACTFuel cell is a kind of clean and efficient distributed new energy with wide application ranges.It has various advantages such as high efficiency of power generation,high power density,friendly interfac

3、e,great stability and so on. It is necessary to equip an efficient electrical converter with boost and regulate voltage functions because the output direct current (DC) voltage of PEMFC fluctuates greatly under load changing. A voltage full bridge phase-shifted zero-voltage soft switching DC control

4、ler is designed as the fuel cell generation system pre-level boost unit, and then its hardware parameters are calculated and the voltage current double closed loop control structure are developed, finally the hardware parameters and software algorithm are testified in MATLAB/SIMULINK software. The s

5、imulation results demonstrate the controlled output voltage is stable, resistant to load fluctuation with high efficiency.Keywords:DC converter, voltage full bridge phase-shifted, Zero-voltage-switching(ZVS), Matlab simulation目錄1緒論11.1研究背景與意義11.2燃料電池概述11.3 本課題研究的內(nèi)容42燃料電池前級DC/DC變換器的主電路方案62.1系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)62.

6、2移相全橋零電壓開關(guān)DC/DC變換器主電路的結(jié)構(gòu)及其電路分析62.3本章小結(jié)133移相全橋DC/DC變換器主電路的設(shè)計143.1高頻變壓器的設(shè)計143.2隔直電容的設(shè)計153.3輸出濾波電感的設(shè)計153.4輸出濾波電容的設(shè)計163.5超前橋臂諧振電容的計算163.6滯后橋臂諧振電容與諧振電感的計算173.7其他器件的選型173.8本章小結(jié)184控制電路的設(shè)計194.1移相PWM控制芯片UC3875194.2電壓電流雙閉環(huán)控制224.3 PI控制器設(shè)計234.4本章小結(jié)245 DC/DC變換器仿真與實驗結(jié)果分析255.1仿真實驗環(huán)境MATLAB簡介255.2系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置255.3仿真模型的建

7、立255.4仿真結(jié)果及分析265.5本章小結(jié)286.總結(jié)展望與心得體會30參考文獻(xiàn)31本科階段取得的學(xué)習(xí)成果32致謝3232燃料電池用前級直流變換器設(shè)計 1緒論本章首先簡介了研究背景與意義，接著介紹了燃料電池的基本結(jié)構(gòu)及其發(fā)展概況以及燃料電池的基本原理和特性，根據(jù)燃料電池的特點提出了一種適合作為燃料電池發(fā)電系統(tǒng)前級的DC/DC變換器,并簡要介紹了本論文的目的和主要研究內(nèi)容。1.1研究背景與意義隨著全球化進(jìn)程的加速和工業(yè)經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，對能源的需求不斷增長，全球范圍內(nèi)的能源危機、環(huán)境污染以及生態(tài)問題等問題變得越來越嚴(yán)重。這些問題使人們越來越重視新能源的開發(fā)和利用。作為傳統(tǒng)能源的煤炭，石油，天然氣

8、是有限的，在不久的將來，它們就會瀕臨枯竭，產(chǎn)生能源危機，并且還會危害地球的環(huán)境1。而燃料電池作為一種新能源，有著潔凈高效的特點。燃料電池是將化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。其最基本的結(jié)構(gòu)由電解質(zhì)以及連接到電解質(zhì)兩側(cè)的多孔滲水陰極與陽極組成2。燃料電池能量轉(zhuǎn)化效率高，它不受卡諾循環(huán)的限制。燃料電池的系統(tǒng)的燃料轉(zhuǎn)換為電能的轉(zhuǎn)換效率在45%-60%，而火力發(fā)電和核電的效率大約在30%-40%。并且對環(huán)境污染少，但燃料電池輸出的電能會隨著負(fù)載的變化而寬范圍變化，而當(dāng)負(fù)載突變時，燃料電池需要一個較長的時間才能響應(yīng)調(diào)整到另一個穩(wěn)定的狀態(tài)，對于燃料電池的這一特點，我們將其應(yīng)用到發(fā)電系統(tǒng)中，

9、必須要為其配置一個前級直流變換器。隨著燃料電池的商業(yè)化，高頻化，高效率的燃料電池DC/DC變換器意義重大，由于傳統(tǒng)的開關(guān)電源一般體積較大，波紋大，穩(wěn)定性不高，對于以上問題。我們研究了燃料電池升壓變換器，可以解決以上問題。DC/DC變換器主要解決了燃料電池輸出電壓較低以及當(dāng)負(fù)載突變時，輸出電壓不穩(wěn)定這兩個缺點，并且可以改善燃料電池輸出特性偏軟及動態(tài)性能，同時也為并網(wǎng)逆變提供基礎(chǔ)，使燃料電池的未調(diào)節(jié)直流電變換成穩(wěn)定的直流電。在DC-DC變換器中，移相全橋ZVS變換器應(yīng)用十分廣泛，它采用了移相PWM控制，并使用軟開關(guān)技術(shù)，提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率，它具有開關(guān)管工作期間電壓應(yīng)力、電流應(yīng)力較小，高頻功率變壓器的

10、利用率高等優(yōu)點，適合完成軟開關(guān)管控制，減少變換器中的開關(guān)管損耗，提高轉(zhuǎn)化效率。 1.2燃料電池概述1.2.1燃料電池的原理單個燃料電池的基本原理如圖1所示，它由陽極和陰極組成，燃料電池在工作時供給燃料（氫），并將氧化劑（空氣）供給至空氣電極，燃料電極將氫分解成正離子H+和電子e-。此時電子e-沿外部電路移向正極，而正離子H+進(jìn)入電解液中，這樣用電的負(fù)載就接在外部電路中，此時由于水的電解反應(yīng)的逆過程，在空氣電極上，空氣中的氧氣與電解液中氫離子吸收抵達(dá)正極上的電子形成水。就這樣如果外部不斷的輸送燃料和氧化劑,通過燃料氧化所釋放的能量也就源源不斷地轉(zhuǎn)化為電能和熱能。燃料電池和常規(guī)的發(fā)電系統(tǒng)不同，因為

11、在燃料電池中可進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)是可逆反應(yīng)，而燃料電池的化學(xué)鍵能向電能的轉(zhuǎn)換效率不受卡諾循環(huán)效率的限制3，因而在理論上可以達(dá)到非常高的能量轉(zhuǎn)換效率4。圖（1）燃料電池的基本原理 1.2.2燃料電池的特點燃料電池之所以受到世人的廣泛矚目,是因為它具有其它能量發(fā)生裝置不可比擬的優(yōu)越性5,燃料電池清潔高效，安全可靠。并且具有良好的操作性能，在未來一定具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?.2.3質(zhì)子交換膜燃料電池的動態(tài)模型為準(zhǔn)確分析質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC動態(tài)運行特性，有必要通過流量平衡、能量平衡角度和電化學(xué)經(jīng)驗公式對PEMFC的流量、壓力、電壓和功率的動態(tài)特性進(jìn)行分析，在時間維上，充分考慮其電化學(xué)反應(yīng)過程，建立了

12、用于控制設(shè)計的燃料電池電熱機理模型，預(yù)測出電池的動態(tài)過程。PEMFC是復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，為簡化分析作了一些假設(shè)：質(zhì)子交換膜內(nèi)水完全飽和，并忽略電池內(nèi)水對電池性能的影響，電池的壓力和溫度都是統(tǒng)一分布的6。 (1)氣體流場動態(tài)模型采用高壓氫氣瓶供給燃料，通過流量控制閥調(diào)節(jié)氫氣流量，再經(jīng)過飽和加濕和加熱后送入電池陽極流場。陽極流場內(nèi)主要充滿的是氫氣，因此對氫氣的流量、壓力和溫度等特性進(jìn)行分析就能模擬陽極流場動態(tài)特性。根據(jù)物質(zhì)流量守恒，陽極流場進(jìn)出氣體與反應(yīng)的氫氣摩爾流量維持動態(tài)平衡。 （1.1） 上式中為陽極內(nèi)氫氣摩爾量,為陽極氫氣輸入/反應(yīng)/輸出摩爾流量。其中反應(yīng)消耗的氫氣摩爾流量為： （1.2）

13、 上式中N為單電池個數(shù)， 為電池電流， 為法拉第常數(shù)（96485c/mol ）。陽極氫氣的輸出流量與陽極氫氣壓力和氫氣排出壓力之差成比例關(guān)系,進(jìn)而根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可計算陽極氫氣壓力,下式中為陽極比例系數(shù),為陽極等效體積,為理想氣體常數(shù)(8.314J/mol/K),為陽極溫度。 （1.3） 陰極內(nèi)主要填充的是氧氣和氮氣，根據(jù)物質(zhì)流量守恒，陰極流場進(jìn)出與反應(yīng)的氧氣流量和氮氣摩爾流量維持動態(tài)平衡。 （1.4） 上式中為陰極內(nèi)氧氣摩爾量，為空氣輸入摩爾流量，為陰極氧氣反應(yīng)/輸出摩爾流量。 （1.5） 上式中為陰極內(nèi)氮氣摩爾量，為陰極氮氣輸出摩爾流量。其中反應(yīng)消耗的氧氣摩爾流量為： （1.6） 陰極

14、側(cè)氣體反應(yīng)后排空，陰極輸出的流量與陰極壓力和環(huán)境壓力之差成比例關(guān)系，為陰極比例系數(shù)，同時陰極壓力由氧氣壓力 和氮氣壓力 組成，可通過理想氣體狀態(tài)方程計算，下式中 為陰極壓力。 （1.7） 而氧氣和氮氣的輸出流量由其壓力比例決定。 （1.8）(2)PEMFC電化學(xué)經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚉EMFC的電化學(xué)模型由一組經(jīng)驗公式組成，用于預(yù)測燃料電池的輸出電特性。單電池的輸出電壓主要由開路電壓,極化過電壓和歐姆過電壓組成6。 （1.9） 單電池的開路電壓表示如下： （1.10） 電流密度i定義為電池電流除以電池有效面積。 （1.11） 陽極氫氣濃度和陰極氧氣濃度是電池溫度和各自壓力的函數(shù)。 （1.12） （1.13）

15、 極化過電壓可以由Tafel等式表示如下： （1.14） 歐姆過電壓可由歐姆定律表示，式中為單電池膜電阻，為膜厚度，為膜水合含量。 （1.15） N個單電池串聯(lián)構(gòu)成電堆，為PEMFC輸出電壓，則輸出功率可表示為： （1.16） 1.3 本課題研究的內(nèi)容本論文主要研究的內(nèi)容:根據(jù)燃料電池的特性以及中小型燃料電池發(fā)電系統(tǒng)前級DC/DC變換器的特殊要求,設(shè)計了一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的前級DC/DC變換器,并用實驗證明此DC/DC變換器能很好的滿足系統(tǒng)的需求。在第一章中,根據(jù)質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC的特性,介紹了燃料電池的基本原理，燃料電池的特點與應(yīng)用，以及燃料電池的模型。在第二章首先介紹了質(zhì)

16、子交換膜燃料電池前級直流變換器的框架結(jié)構(gòu)，并提出了作為燃料電池發(fā)電系統(tǒng)前級的DC/DC變換器應(yīng)具有的特點,設(shè)計了一種電壓型全橋移相零電壓軟開關(guān)直流變換器作為燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的升壓前級，分析了其主電路拓?fù)浜椭麟娐返墓ぷ髟?。在第三?完成對移相全橋DC/DC變換器主電路的硬件設(shè)計。第四章對燃料電池用前級直流變換器的控制電路進(jìn)行了設(shè)計。第五章對此燃料電池用前級DC/DC變換器做了仿真驗證以及實驗結(jié)果分析。最后,總結(jié)了本文的設(shè)計方案以及對未來的發(fā)展前景作了展望。本文主要設(shè)計了一種6KW質(zhì)子交換膜燃料電池的前級直流變換器，其具體設(shè)計要求為：輸入電壓為質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC的輸出電壓3070VDC

17、，穩(wěn)定輸出電壓為100VDC，額定功率6KW，允許過載125%，要求在額定輸出電流下，長時間工作。2燃料電池前級DC/DC變換器的主電路方案本章先對燃料電池用前級直流變換器框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，然后選擇了移相全橋ZVS變換器做為燃料電池用前級直流變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并分析這種DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理和工作過程。最后，對本章的主要內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)。 2.1系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)PEMFC是一個復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，它根據(jù)負(fù)載功率要求實時調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體的流量和壓力，當(dāng)負(fù)載波動時，需要外部的裝置配合參與調(diào)整，使得時間響應(yīng)常數(shù)較慢，而且電化學(xué)反應(yīng)容易受到濕度、溫度和壓力等外界參數(shù)干擾，導(dǎo)致輸出電壓更易波動，需要

18、電力變換裝置在較寬輸入范圍內(nèi)穩(wěn)定電壓；另外由于單片電池輸出電壓較低，負(fù)載運行時電壓一般在0.60.8V左右，電流密度在0.21A/cm2左右，所以對中小型PEMFC而言，輸出電壓一般較低，因此在PEMFC輸出電壓和用戶/電網(wǎng)之間必須有一級是具有升壓功能的電力變換裝置，現(xiàn)有的小功率燃料電池直流升壓模塊大部分采用非隔離式Boost拓?fù)?-10，但從安全隔離方面考慮，中大功率PEMFC應(yīng)利用變壓器隔離提升電壓。系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖21所示，質(zhì)子交換膜燃料電池輸出首先通過一個隔離的前級直流變換器將燃料電池直流電壓升壓到逆變器所需的直流電壓，同時提供隔離，然后逆變器將升壓的直流電轉(zhuǎn)換為交流電供給用戶。隔離型

19、直流變換器具有更大的電壓增益范圍，同時還能為系統(tǒng)提供隔離，并且高頻變壓器相比工頻變壓器可以降低成本、減少電路的損耗、減小體積和提高功率密度。圖2.1 質(zhì)子交換膜燃料電池前級直流變換器框架結(jié)構(gòu) 2.2移相全橋零電壓開關(guān)DC/DC變換器主電路的結(jié)構(gòu)及其電路分析 2.2.1移相全橋零電壓開關(guān)DC/DC變換器主電路的結(jié)構(gòu)燃料電池用前級DC/DC變換器采用升壓電路，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用電壓型移相全橋電路形式，使用軟開關(guān)技術(shù)，提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率，移相全橋ZVS變換器的主電路結(jié)構(gòu)及主要波形如圖22所示。其中為全橋電路的4個功率開關(guān)管，為隔直電容，是諧振電感（包括變壓器的漏感）。分別是功率管的寄生電容，分別是的反并聯(lián)二

20、極管。每個橋臂的兩個開關(guān)管均為180o互補導(dǎo)通，兩個橋臂相應(yīng)開關(guān)管的驅(qū)動信號之間相差一個移相角相位，通過調(diào)節(jié)移相角的大小調(diào)節(jié)輸出電壓。因為和的驅(qū)動信號分別超前于和的驅(qū)動信號，所以稱和為超前橋臂，稱和為滯后橋臂。移相角越小，輸出電壓越高，反之，移相角越大，輸出電壓越低。每個開關(guān)管的關(guān)斷到另一個開關(guān)的開通都要經(jīng)歷一個死區(qū)時間11。(a) 移相全橋ZVS變換器主電路（b)移相ZVS全橋變換器的主要波形 圖2.2移相全橋ZVS變換器的主電路結(jié)構(gòu)及主要波形 2.2.2移相全橋零電壓開關(guān)DC/DC變換器主電路的工作原理現(xiàn)在以一個開關(guān)周期的12種工作模式為例，來分析移動全橋變換器的工作原理。每個開關(guān)周期的等

21、效電路如圖24所示，為更好的分析移相全橋變換器的工作原理，現(xiàn)假設(shè)如下：（1） 假設(shè)主電路中的二極管、開關(guān)管、電感、變壓器、電容均為理想元件。（2） 。（3）是變壓器原副邊匝比。 現(xiàn)分析各開關(guān)管工作過程如下：1. 初始階段時刻：如圖（a）,和導(dǎo)通，輸入電流流經(jīng)，諧振電感，變壓器原邊繞組和，回到電源負(fù)端。變壓器副邊電路整流管和導(dǎo)通，整流管、截止，電流流經(jīng)、，濾波電容，濾波電感以及負(fù)載。2. 工作模式1（,）時刻： 如圖（b）在時刻關(guān)斷，原邊電流流經(jīng)和的支路中，給進(jìn)行充電，同時進(jìn)行放電。由于有和，是零電壓關(guān)斷。此時，和是串聯(lián)的，并且很大，此時可以認(rèn)為原邊電流是不變的，可以將其看作是一個恒流源。此時、

22、電壓和原邊電流計算公式為： （2.1） （2.2） （2.3） 在時刻，的電壓下降為0，自然導(dǎo)通，工作模式1結(jié)束。工作模式1的時間為： （2.4）3. 工作模式2（,）時刻：如圖（c），在導(dǎo)通之后，開通。此時開通，是零電壓開通，而此時原邊電流實際上還是流經(jīng)二極管，中沒有電流，從關(guān)斷，到開通，這中間存在著一個死區(qū)時間，即 （2.5） 在這段時間里，等于折算到原邊的濾波電感電流，即 （2.6） 在時刻，下降到。4. 工作模式3（,）時刻：如圖（d）,在時刻，關(guān)斷。原邊電流由和兩條路徑提供，也就是說，用來抽走上的電荷，使得電容放電，電容進(jìn)行充電。因為和的充放電過程，使得是零電壓關(guān)斷。此時=,上的電壓

23、從0變?yōu)?，副邊繞組的電壓極性也變?yōu)樯险仑?fù)，此時變壓器副邊的四個二極管、都導(dǎo)通，此時變壓器的原副邊繞組的電壓都為零，這時諧振電感上加的電壓為。所以，在這段時間內(nèi)和，在諧振工作，和電容、的電壓分別為 （2.7） （2.8） （2.9） 在上式中 （2.10） 在時刻，電容充電至電源電壓，此時電容上的電壓下降至0，二極管自然導(dǎo)通，這一工作階段結(jié)束。此工作模式的時間為： （2.11） 5. 工作模式4(,)：如圖（e），在二極管自然導(dǎo)通之后，開通，此時是零電壓開通。同樣從關(guān)斷，到開通之間也存在一個死區(qū)時間。該死區(qū)時間滿足： （2.12） 此時原邊電流仍流經(jīng)二極管，雖然已開通，但中沒有電流流過，而中

24、儲存的能量將回饋給電源。此時副邊所有的二極管都導(dǎo)通，使得變壓器原副邊電壓同時等于0，此時兩端的電壓為，開始下降，此時的計算公式為： （2.13） 在時刻，下降到了0，而和則會因此自然關(guān)斷，原邊的電流開始流過和。工作過程4的時間為 （2.14） 6. 工作模式5（,）：如圖（f）,在時刻，的電流值開始由正變負(fù)，并負(fù)向增加，流過和，但此時還是不足以為負(fù)載提供電流，因此、與將繼續(xù)同時導(dǎo)通，所以原邊繞組的電壓依舊是零，的兩端的電壓仍然為電壓,此時的大小是： （2.15） 在時刻，的值為()。這時和關(guān)斷，和流過了全部負(fù)載電流，這時這一工作模式結(jié)束。工作模式5的持續(xù)時間為 （2.16） 7. 工作模式6：

25、（,）：如圖（g），在這一階段，電源給負(fù)載供電，原邊的電流為： （2.17） 因為，可簡化為下式： （2.18） 在時刻，關(guān)斷，這樣就結(jié)束了移相全橋ZVS變換器的半個工作周期，其另半個工作周期的工作情況與這半個工作周期類似。圖2.4 各種開關(guān)工作模式的等效電路 2.1.2 零電壓開關(guān)的實現(xiàn) （1）超前橋臂實現(xiàn) ZVS超前橋臂比較容易實現(xiàn)零電壓開關(guān)，只要有足夠的能量抽走及和的結(jié)電容和上的電荷，并給剛關(guān)斷的開關(guān)管的結(jié)電容充電，即： (2.19) 該能量由輸入濾波電感提供，折算到原邊與諧振電感串聯(lián)，在一般情況下很大，實現(xiàn)零電壓開關(guān)比較容易。因為在超前橋臂開關(guān)的過程之中，可認(rèn)為不變，可看作是一個恒流源

26、，所以超前橋臂為了達(dá)到零電壓開通，和兩者的死區(qū)時間必須滿足以下公式： (2.20) 上式中為變壓器原邊電流值?；谏鲜黾s束下選擇合適的。 (2)滯后橋臂實現(xiàn) ZVS而滯后橋臂要實現(xiàn)零電壓開關(guān)要比超橋橋臂要困難一些，這是因為此時副邊短路，只有諧振電感中的儲能用于實現(xiàn)零電壓開關(guān)。當(dāng)滯后橋臂工作時，和電容、發(fā)生諧振，當(dāng)電容的電壓下降至0 時，導(dǎo)通，這時開通，可以實現(xiàn)零電壓開通?？梢钥偨Y(jié)得到，滯后橋臂要零電壓開關(guān)，需要滿足以下三個條件：(1) 的儲能要大于、以及變壓器原邊寄生電容的儲能: (2.21) 在實際應(yīng)用中，因為變壓器原邊寄生電容很小，所以可忽略電容，簡化為： (2.22) (2) 在滯后橋臂

27、開通時，原邊電流近似不變，滯后橋臂的并聯(lián)電容滿足： (2.23) (3) 滯后橋臂開關(guān)的死區(qū)時間應(yīng)小于或等于四分之一的諧振周期，即： （2.24） 我們可以通過以上的約束條件來確定諧振電感和諧振電容 的參數(shù)。在本設(shè)計的功率開關(guān)管采用MOSFET，不宜設(shè)置過小的死區(qū)時間，通?？稍O(shè)置死區(qū)時間為 。并且要選擇合適的諧振電感和并聯(lián)電容，兩者應(yīng)協(xié)調(diào)確定。由于超前橋臂比較容易實現(xiàn)零電壓開關(guān)，而滯后橋臂的實現(xiàn)比較困難。所以要實現(xiàn)零電壓軟開關(guān)技術(shù)主要的重點是在于滯后橋臂。從式（2-20）可以看出，滯后橋臂要實現(xiàn)ZVS主要有兩種方法：第一種方法是增加勵磁電流，而第二種方法是增加諧振電感。一般綜合考慮這兩種方法，

28、將得到更好的效果。(3)占空比損失副邊占空比丟失現(xiàn)象是移相全橋零電壓開關(guān)變換器的一個特殊現(xiàn)象。副邊占空比的丟失等于原邊占空比與副邊占空比的差值，可表示為： （2.25） 下面對這種特殊現(xiàn)象出現(xiàn)的原因進(jìn)行分析：如圖 2-11中的,。在這段時間內(nèi)，雖然原邊有正電壓波形或者負(fù)電壓波形存在，但 仍然無法為負(fù)載提供足夠的電流，所以在此時副邊的二極管、和都同時導(dǎo)通，這使得整流后的電壓=0，所以丟失了,的電壓波形。這部分就是占空比的損失 。它的大小為： （2.26） 綜上所述，可以得出以下結(jié)論：越大、負(fù)載越重或輸入電壓越低，都會使增大。所以如果要想減小，較為容易的實現(xiàn)方式是減小諧振電感 。 ¨ 2

29、.3本章小結(jié)本章首先對燃料電池用前級直流變換器框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，然后對移相全橋零電壓開關(guān)DC/DC變換器主電路的結(jié)構(gòu)及其電路分析,以半個開關(guān)周期為例,詳細(xì)分析了變換器的工作過程；最后對超前橋臂和滯后橋臂實現(xiàn)ZVS以及副邊占空比的丟失情況作出了分析。3移相全橋DC/DC變換器主電路的設(shè)計前面一節(jié)我們簡要討論了主電路工作原理，為了使移相全橋變換器的兩個橋臂的開關(guān)管都在零電壓軟開關(guān)條件下運行，并能較好地作為燃料電池的前級直流變換器，在本節(jié)中主要介紹了電路中主要元器件參數(shù)的計算方法和主電路主要元器件的選擇方式。 本文要設(shè)計的燃料電池前級直流變換器的要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下：（1）輸出功率：6KW，允許兩

30、分鐘過載 125；（2）輸入電壓：正常 3070VDC（3）輸出電壓：100VDC3.1高頻變壓器的設(shè)計高頻變壓器是全橋變換器的一個主要器件，它的設(shè)計及參數(shù)計算非常的重要和關(guān)鍵。高頻變壓器鐵心所采用的磁性材料，目前有很多可供選擇，如：坡莫合金、鐵氧體、超微晶和非晶態(tài)合金等。 （1）確定原副邊變比高頻變壓器是燃料電池用前級直流變換器的核心器件，將燃料電池較低的輸出電壓提升到較高的電壓，其參數(shù)設(shè)計至關(guān)重要。為了降低輸出整流二極管的反向電壓，減小開關(guān)管的電流，提高高頻變壓器的利用率，以達(dá)到減小損耗和降低成本的效果，高頻變壓器原副邊變比應(yīng)盡可能地大一些。為在輸入電壓范圍內(nèi)能夠輸出所要求電壓，通過選擇高

31、頻變壓器副邊的最大占空比，計算副邊電壓最小值為： （3.1） 副邊電壓最小值 輸出電壓最大值 副邊最大占空比 輸出整流二極管的通態(tài)壓降 輸出濾波電感的直流壓降 因為采用全橋整流電路，=2，故變壓器原副邊變比為： （3.2） （2）確定原邊和副邊的匝數(shù)選定一個磁芯，參考磁芯材料的手冊，以及考慮到開關(guān)頻率,可確定最高工作磁密。利用公式計算副邊匝數(shù): （3.3） 副邊匝數(shù)（單位為匝） 利用公式可以計算出原邊匝數(shù)為： （3.4） 可根據(jù)磁芯材料手冊，選定具體磁芯型號，為減小鐵損，根據(jù)開關(guān)頻率，可查出最高工作磁密和磁芯的有效導(dǎo)磁面積，可計算原副邊匝數(shù)和導(dǎo)線股數(shù)，進(jìn)而多次核算窗口面積和選擇合適磁芯。 3.

32、2隔直電容的設(shè)計隔直電容在移相全橋ZVS變換器中可以用來用于濾去高頻變壓器原邊電壓的直流分量，在實際應(yīng)用中，會在隔直電容上充放電，因此當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載情況下，為保證不影響輸出電壓，隔直電容通常使其最大充電電壓小于輸入電壓的5%。依據(jù)諧振頻率計算公式： （3.5） 推導(dǎo)出隔直電容計算公式： （3.6） 3.3輸出濾波電感的設(shè)計在PWM全橋變換器中，原邊的交流方波電壓經(jīng)過高頻變壓器和輸出整流橋后，得到高頻直流方波電壓，需要LC濾波器平滑該直流方波電壓。對全橋變換器而言，濾波電感電流脈動為： （3.7） 為減小濾波電感電流脈動，希望濾波電感越大越好，但受限于其尺寸、重量、成本和響應(yīng)時間考慮，一般選擇輸出濾

33、波電感電路最大脈動量為最大輸出電流的20%，則濾波電感設(shè)定為： (3.8) 輸出濾波電感的具體設(shè)計步驟：(1)初選磁芯大小。(2)選擇一個氣隙大小，可用于計算繞組的匝數(shù)。氣隙的大小用表示繞組的匝數(shù)可由公式計算得到： （3.9） 的單位為，氣隙的單位為，=，的單位為(3)求出磁芯的最高工作磁密。計算公式為 （3.10） 的單位為。當(dāng)計算得到的時，則符合要求。 3.4輸出濾波電容的設(shè)計輸出濾波電容的容量與電源對輸出電壓峰峰值有關(guān)?？捎梢韵掠嬎愎接嬎爿敵鰹V波電容的電容量為: （3.11） 的單位為，是開關(guān)頻率(),的單位為，是輸出濾波電感量，單位為。上式中的取，取，因為考慮到電解電容有等效串聯(lián)電阻

34、，所以在實際選用電容時，要比上式所計算出的電容量大一些，并要選擇多個電解電容并聯(lián)使用。 3.5 超前橋臂諧振電容的計算前面已經(jīng)提出了超前橋臂和滯后橋臂實現(xiàn)零電壓開關(guān)的條件，現(xiàn)在分別來計算超前橋臂和滯后橋臂的并聯(lián)電容以及諧振電感。超前橋臂要實現(xiàn)零電壓開通，和兩者的死區(qū)時間需要滿足以下公式： （3.12） 由超前橋臂死區(qū)大小和要求實現(xiàn)零電壓開關(guān)的負(fù)載范圍可以確定并聯(lián)電容和的大小。在根據(jù)最高輸入電壓，并將以上數(shù)據(jù)代入式得 （3.13） 3.6 滯后橋臂諧振電容與諧振電感的計算從上一章滯后橋臂零壓開通的分析中，可以看到滯后橋臂要實現(xiàn)零電壓開關(guān)要比超前橋臂要困難一些，這是因為此時變壓器副邊短路，只有諧振

35、電感中的儲能用于實現(xiàn)零電壓開關(guān)。所以滯后橋臂要實現(xiàn)零電壓開通，需要滿足以下三個條件：（1）諧振電感儲能必須大于滯后臂并聯(lián)電容儲能加上變壓器原邊寄生電容儲能，即有： （3.14） 在實際當(dāng)中，變壓器原邊匝數(shù)較少，且原邊大都用多股漆包線并繞，所以原邊寄生電容很小。所以可以將式（3-12）中后一項略去。變?yōu)椋?（3.15） （2）在滯后橋臂開通時，原邊電流近似為衡定。滯后橋臂的并聯(lián)電容滿足下式 （3.16） （3）滯后橋臂開關(guān)的死區(qū)時間應(yīng)小于或等于四分之一的諧振周期，即 （3.17） 通過上述公式，我們可以選擇合適的諧振電感和諧振電容。在上述約束條件下，可以列寫式(3-18)如下： （3.18） 從

36、而根據(jù)式(3-18)確定串聯(lián)諧振電感大小： （3.19） 由上式可以計算諧振電感的值。3.7其他器件的選型為了達(dá)到預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)，還需要選擇合適的功率開關(guān)管。功率開關(guān)器件的選型為了使在主回路中使用的電子開關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的開通、快速的關(guān)斷這兩種狀態(tài),并且還能快速的進(jìn)行轉(zhuǎn)換。又考慮到功率開關(guān)器件的開關(guān)速度和驅(qū)動電路的簡潔，本燃料電池前級直流變換器選用MOSFET作為功率開關(guān)管。MOSFET功率開關(guān)管的導(dǎo)通損耗以及成本與雙極型晶體管相當(dāng),但是它的開關(guān)速度卻是雙極型晶體管的5倍。MOSFET屬于電壓控制元件。只要在柵源極間加上足夠的電壓,以使漏極能夠通過預(yù)期的最大電流，就能驅(qū)動MOSFET進(jìn)入飽和區(qū)

37、。柵源極電容二充放電與MOSFET的開關(guān)速度有著很大的關(guān)系,雖然無法降低MOSFET的,但可通過降低驅(qū)動電路內(nèi)阻以及減小時間常數(shù)等方法,來加快MOSFET開關(guān)的速度。在本設(shè)計中選擇為本燃料電池前級直流變換器的MOSFET功率開關(guān)管。 3.8本章小結(jié)本章針對所選用的移相全橋ZVS變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)行了主變壓器、隔直電容，輸出濾波電路、諧振電感以及開關(guān)管并聯(lián)電容等元器件的詳細(xì)參數(shù)設(shè)計，并對功率開關(guān)進(jìn)行了選型。在第四章中還將進(jìn)一步對燃料電池前級移相全橋ZVS變換器的控制電路進(jìn)行設(shè)計。4控制電路的設(shè)計4.1移相PWM控制芯片UC3875UC3875芯片是美國UNITRODE公司生產(chǎn)的移相式準(zhǔn)諧振變換

38、器控制集成電路,它可用來控制零電壓諧振變換器,使用 UC3875芯片作為本移相全橋ZVS變換器的控制芯片，非常合適。 4.1.1移相PWM控制芯片UC3875的特性UC3875芯片有多種封裝形式：有標(biāo)準(zhǔn)雙列直插式的20引腳封裝,還有方形28引腳塑料封裝等多種封裝形式。本設(shè)計采用一種標(biāo)準(zhǔn)雙列直插式的20引腳封裝UC3875芯片作為本燃料電池前級直流變換器的控制芯片。其管腳排列如圖4.1所示12。圖4.1 UC3875管腳圖 4.1.2 UC3875的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4.2是UC3875的功能框圖13。UC3875芯片具有九大功能:工作電源、基準(zhǔn)電源、振蕩器、鋸齒波、誤差放大器、移相控制信號發(fā)生電路、過

39、流保護(hù)、死區(qū)時間設(shè)置、輸出級。圖4.2 UC3875功能框圖4.1.3 UC3875芯片的工作原理和工作過程UC3875芯片通過OUTA(PIN14)、OUTB(PIN13)、OUTC(pin9)和OUTD(pin8)，四個管腳輸出四個移相方波信號，并通過功率開關(guān)管驅(qū)動電路，來驅(qū)動四個功率開關(guān)管、和。圖4.3所示為UC3875芯片的外圍電路接法。由芯片內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的時鐘信號經(jīng)過D觸發(fā)器2分頻后，就能得到兩個180o互補的方波信號。這兩個方波信號從OUTA(PIN14)和OUTB(PIN13)輸出，并與振蕩時鐘信號同步,同時利用延時電路為這兩個方波信號設(shè)置死區(qū)。PWM比較器將鋸齒波和誤差放大器

40、信號比較后,輸出一個方波信號,這個信號與時鐘信號經(jīng)過從OUTC(pin9)和OUTD(pin8)輸出兩個180互補的方波信號，延時電路為這兩個方波信號設(shè)置死區(qū)。由于OUTC和OUTD分別領(lǐng)先于OUTB和OUTA，它們之間相差一個移相角,移相角的大小取決于誤差放大器的輸出與鋸齒波的交截點。通過調(diào)節(jié)移相角可以控制AD、BC之間的相位變換。為經(jīng)過反相器后用于全橋零電壓開關(guān)DC/DC的移相控制信號。圖4.4為四個輸出的邏輯時序圖。圖4.3 UC3875芯片的外圍電路圖圖4.4 UC3875輸出時序圖 4.1.4驅(qū)動電路的設(shè)計MOSFET是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管。它屬于電壓控制

41、元件。只要在柵源極間加上足夠的電壓,以使漏極能夠通過預(yù)期的最大電流，就能驅(qū)動MOSFET進(jìn)入飽和區(qū)。MOSFET的安全工作區(qū)和其開關(guān)特性隨驅(qū)動電路的改變而改變,因此設(shè)計合理的驅(qū)動電路是其正常工作的重要保證。本設(shè)計中采用了一種美國IR公司生產(chǎn)的IR2110驅(qū)動器。這種驅(qū)動器兼有光耦隔離（體積?。┖碗姶鸥綦x（速度快）的優(yōu)點，是中小功率變換裝置中驅(qū)動器件的首選。IR2110于1990 年前后由美國國際整流器公司利用自身獨有的高壓集成電路及無門鎖CMOS 技術(shù)，開發(fā)并投放市場，它是一種大功率MOSFET專用柵極驅(qū)動集成電路，在電源變換驅(qū)動領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。該電路芯片可驅(qū)動同一橋臂兩路，有著較高的偏值電壓，響應(yīng)速度很快，驅(qū)動能力強，并且內(nèi)設(shè)欠壓封鎖。它有著較低的成本，并且易于調(diào)試。IR2110驅(qū)動器僅需要一路1020V電源，并同時采用2片IR2110就可以驅(qū)動4個功率表開關(guān)管，這樣所構(gòu)成的移相全橋ZVS電路,大大減小了控制變壓器的體積和電源數(shù)目, 降低了產(chǎn)品成本, 提高了系統(tǒng)的可靠性。 驅(qū)動電路的設(shè)計圖，如圖4.5所示。圖4.5 MOSFET管驅(qū)動電路4.2電壓電流雙閉環(huán)控制在本設(shè)計中采用電壓電流雙閉環(huán)控制的策略。在該設(shè)計中利用參考電壓作為電壓外環(huán)的給