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[導(dǎo)讀]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??刂葡到y(tǒng)正常

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??刂葡到y(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:[!--empirenews.page--]

實際取10匝。

對24 V輸出:

實際取42匝。

2.3  整流濾波

(1)輸出濾波電感的設(shè)計。輸出濾波電感中的電流除存在直流分量外,并且疊加一個較小的交流分量。輸出濾波電感的設(shè)計一般要求電感電流的最大脈動量為最大輸出電流的10%~20%。

對于輸出電壓Vo=5 V,輸出電流Iomax=1 A,最大占空比Dmax=0.63。

代入這些值則得:L=462.5μH。

對于輸出電壓Vo=24 V,重復(fù)上面的計算可得:L=0.004 4 H。

(2)輸出濾波電容的選擇。輸出濾波電容上的紋波電流:



根據(jù)上一節(jié)得到的數(shù)據(jù),將ISRMS1=1.712 A,ISRMS2=0.856 A分別代入上式中,可求得Iri11.39 A,Iri2=0.695 A。濾波電容在20 kHz時的紋波電流應(yīng)大于等于Iri。

輸出的紋波電壓由式Vri=IsprO決定。濾波電容C2,C3,C4選用330μF/50 V,C5選用100 μF/25 V。

3  控制電路的設(shè)計

3.1 PWM控制電路


這里以數(shù)字信號處理器(DSP)TMS320LF2407為核心,設(shè)計了全數(shù)字PWM控制系統(tǒng),如圖3所示,具有更好的實時性,能很好的適應(yīng)PEMFC發(fā)電機的輸出特性。



輸出電壓經(jīng)霍爾電壓傳感器隔離采樣后送到DSP的ADC模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,這些值在一定時間內(nèi)經(jīng)過一系列數(shù)字PI控制后,給全比較單元產(chǎn)生一個新的比較值,該比較值將在下一個開關(guān)周期改變PWM波形的占空比,這樣就達(dá)到了控制輸出電壓為所要求值的目的。

DSP中并沒有自動生成PWM信號的功能,要通過編程的方法實現(xiàn)它,通過一個單比較1的輸出腳PWM1實現(xiàn)所需要的PWM信號,下面具體介紹這種方法。單比較單元有一個比較寄存器,用來存儲比較值,當(dāng)計數(shù)器于比較值相等時,相應(yīng)的PWM輸出引腳電平發(fā)生跳變,怎樣跳變?nèi)Q于PWM引腳的工作方式。

PWM輸出腳工作方式:有效高方式,有效低方式等。在定時器1工作在連續(xù)增減計數(shù)時,電平的為:輸出腳若設(shè)置為有效高,計數(shù)器為零時,輸出腳電平為零,計數(shù)器開始增計數(shù),當(dāng)與比較值相等時,這時輸出腳為有效狀態(tài),電平變高。計數(shù)器到達(dá)周期值后,開始減計數(shù),當(dāng)減計數(shù)到比較值時,輸出腳為無效狀態(tài),電平變低。輸出腳若設(shè)置為有效低。則此時的電平變化與有效高狀態(tài)正好相反。本文采用有效高工作方式。

T1CNT為計數(shù)器1的計數(shù)值,T1PER為計數(shù)器l的周期值。當(dāng)T1CNT的值增加到與T1PER相等時,計數(shù)器1開始減計數(shù),當(dāng)T1CNT的值減到0時,計數(shù)器增計數(shù)。計數(shù)器值隨時間變化如圖4所示。在計數(shù)器的計數(shù)值與各比較單元的比較寄存器值(SCMPRl)相等時,輸出腳電平發(fā)生變化。波形圖如圖4所示,從圖中可以看出,計數(shù)器值通過與實時變化的比較寄存器值(SCMPR1)相比較,可以調(diào)節(jié)PWM脈沖寬度,進(jìn)而改變功率管的占空比,達(dá)到對DC/DC變換器輸出電壓的實時控制。


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3.2  隔離采樣電路的設(shè)計

為了保證電路的可靠運行,電壓的采樣最好能夠與控制電路隔離,這樣能夠避免主電路中大電流流過地線時壓降帶來的干擾。在本機中,通過電壓霍爾元件實現(xiàn)控制電路與主電路的隔離?;魻栯妷涸脑硎牵簩⒋箅娮璐穗妷杭盎魻栐脑?,得到原邊電流,該電流能在副邊產(chǎn)生一定比例的副邊電流,副邊電流流過電阻產(chǎn)生的壓降能夠反應(yīng)主電路的電壓值。所設(shè)計的DC/DC變換器的輸出直流電壓的采樣電路如圖5所示。



從圖5中的參數(shù)可以看出:

UADC1=Uo/10

經(jīng)過霍爾元件的隔離與運放的處理后,送入DSP的A/D轉(zhuǎn)換電壓與主電路隔離,提高了整個電路的抗干擾能力。

3.3 PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)選擇

該DC/DC變換器的控制電路采用的是電壓單閉環(huán)控制,將Gv(s)設(shè)計成PI控制器,它的參數(shù)選擇在很大程度上決定了DC/DC變換器的性能,因此它們的選擇在機器的研發(fā)過程中至關(guān)重要。

在研制該機的過程中,本文是進(jìn)行參數(shù)選擇為:先選擇主電路的參數(shù)及采樣電路的參數(shù),并且在Matlab中建立該DC/DC變換器的模型,再根據(jù)大致原則,對PI的參數(shù)先進(jìn)行大致的估計,不斷對PI的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。得到滿意的結(jié)果后,將該參數(shù)編程到DSP中,實際運行后,根據(jù)實驗的結(jié)果,再稍微調(diào)整。最后得到的結(jié)果如下:

Gv(s)=5+20/s

在該參數(shù)下,用Matlab仿真后得到的滿載時結(jié)果如圖6所示。



從仿真波形可以看出,在該PI參數(shù)設(shè)置下,所設(shè)計的開關(guān)電源的輸出電壓基本上達(dá)到了所要求的5 V。

4 實驗結(jié)果與分析

研制的開關(guān)電源輸入電壓48 V,輸出24 V空載,5 V電壓輸出電流0.5 A時測得的電壓波形如圖7所示。經(jīng)測量輸出電壓4.96 V,紋波電壓的峰峰值為Vp-p=35 mV。PEMFC發(fā)電機在運行時。其輸出端接開關(guān)電源,5 V輸出接0.5 W負(fù)載時測得的電壓波形如圖8所示。經(jīng)測量,開關(guān)電源的電壓輸出為5.01 V,其峰峰值電壓紋波經(jīng)測量為Vp-p=80 mV。




通過試驗波形可以看出,研制的DC/DC開關(guān)電源輸出電壓穩(wěn)定,能夠適應(yīng)PEMFC發(fā)電機的輸出特性,基本滿足控制系統(tǒng)對電源的需求。PEMFC輸出的直流電壓波形中毛刺很多,而且開關(guān)電源的制作工藝有待進(jìn)一步完善。因此造成開關(guān)電源輸出紋波較大。

5  結(jié)  語

設(shè)計了開關(guān)電源的主電路結(jié)構(gòu),及該開關(guān)電源的濾波、整流等電路,給出了開關(guān)電源高頻變壓器的設(shè)計方法,計算了元器件參數(shù)并選擇型號,研制了電源樣機。對研制的開關(guān)電源進(jìn)行了性能測試,能夠適應(yīng)PEMFC發(fā)電機的輸出特性,滿足控制系統(tǒng)的需求。
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