基于PEMFC的控制系統電源的設計分析

PEMFC氫能發電機發出的是變化范圍較大的直流電，必須經過穩壓、逆變等轉換后，獲得穩定的輸出電壓后才能應用于負載。在PEMFC發電機的控制系統電源采用自發電供電時，電源系統需要適應發電機的輸出特性。控制系統正常工作是發電機安全可靠運行的重要條件，可靠的電源是控制系統穩定運行的基礎，因此，研究適應PEMFC發電系統輸出電特性的控制系統電源是非常必要的。

1 PEMFC控制系統電源總體結構設計

本文分析了一種輸入／輸出隔離型的DC／DC變換電路結構，如圖1所示。該電路采用單端反激式結構，以PwM方式首先將PEMFC輸出的36～72 V直流電壓逆變為高頻方波，經高頻變壓器降壓，再整流濾波得到穩定的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。



2 主電路的設計

2.1 IPM功率模塊

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

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

IPM可以實現的保護功能有：控制電源欠壓保護(UV)；過熱保護(OT)；過流保護(OC)；短路保護(SC)。需要強調的是，IPM的保護功能自身并不能排除故障。在電路設計時應利用故障輸出信號FO，使系統在故障發生時能夠封鎖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

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

已知參數：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的表達式為：


將數值代入后可求得Ip=1.17 A。

在每個開關周期內，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，并代人數可得：



(2)磁芯的選擇。鐵氧體軟磁材料是復合氧化物燒結體，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℃時飽和磁感應強度Bs=350 mT。磁芯工作磁感應強度可選為飽和磁感應強度的0.7倍，Bw=0.7Bs=245 mT。

根據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。確定變壓器的磁芯后，可根據下式求得變壓器原邊的匝數：



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，快恢復整流管壓降Vf2為0.7 V。

計算次級繞組匝數：

對5 V輸出：