摘 要:探討一種用于PEMFC控制系統(tǒng)的多路輸出DC/DC變換器，通過(guò)計(jì)算和仿真設(shè)計(jì)了主電路和控制電路的參數(shù)。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)，選擇合適的主電路器件，控制電路采用基于DSP的全數(shù)字控制系統(tǒng)，研制出多路輸出的PEMFC控制系統(tǒng)電源，并對(duì)研制的開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行了性能測(cè)試，能夠適應(yīng)PEMFC發(fā)電機(jī)變化范圍大的動(dòng)態(tài)輸出特性，滿足控制系統(tǒng)的需求。

關(guān)鍵詞:PEMFC; DC/DC變換器;DSP; 開(kāi)關(guān)電源

中圖分類(lèi)號(hào):TM911.4;TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004373X(2010)10-0207-04

Development on Power Supply of Multi-output PEMFC Control System

CHEN Xiang-feng， XU Ye， WANG Jin-quan， WANG Kun

(Engineering Institute of Engineering Corps， PLA University of Science Technology， Nanjing 210007， China)

Abstract:A multi-output DC/DC inverter for the control system of PEMFC generator is discussed. The parameters of the main circuit and control circuit are designed by computation and simulation. Based on the parameters，a power supply for the multi-output PEMFC control system was developed through the selection of main circuit components and the adoption of the full digital control system based on DSP，the performance was tested for the developed switch power supply. This inverter is suitable for the dynamical output of PEMFC generator，and can meet the demand of the control system.

Keywords:PEMFC; DC/DC inverter; DSP; switch power

0 引 言

PEMFC氫能發(fā)電機(jī)具有無(wú)污染、高效率、無(wú)噪聲和具有連續(xù)工作和模塊化的特點(diǎn)，特別是具有不受“卡諾”循環(huán)限制、工作溫度低、熱輻射小等優(yōu)點(diǎn)[1]，在軍用和民用領(lǐng)域都具有十分廣闊的應(yīng)用前景。由于PEMFC發(fā)出的是變化范圍較大的直流電，必須經(jīng)過(guò)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(jī)的控制系統(tǒng)電源采用自發(fā)電供電時(shí)，電源系統(tǒng)需要適應(yīng)發(fā)電機(jī)的輸出特性[2]?？刂葡到y(tǒng)正常工作是發(fā)電機(jī)安全可靠運(yùn)行的重要條件，可靠的電源是控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(jì)

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[3]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(guò)DSP實(shí)現(xiàn)。

圖1 多路輸出的PEMFC控制系統(tǒng)電源電路框圖

2 主電路的設(shè)計(jì)

2.1 IPM功率模塊

IPM即智能功率模塊 (intelligent power module) [4]，它是將IGBT連同其驅(qū)動(dòng)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(jì)者可從繁瑣的IGBT驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)中解脫出來(lái)。

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(mén)極驅(qū)動(dòng)控制、故障檢測(cè)和多種保護(hù)電路，并且內(nèi)置有電流傳感器。

IPM可以實(shí)現(xiàn)的保護(hù)功能有:控制電源欠壓保護(hù)(UV);過(guò)熱保護(hù)(OT);過(guò)流保護(hù)(OC);短路保護(hù)(SC)。需要強(qiáng)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(jì)時(shí)應(yīng)利用故障輸出信號(hào)FO，使系統(tǒng)在故障發(fā)生時(shí)能夠封鎖IPM的輸入信號(hào)并停機(jī)。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(dú)供電，確保安全可靠。

圖2 PM300HHA120接口電路

2.2 高頻變壓器

高頻變壓器的設(shè)計(jì)是研制開(kāi)關(guān)電源的關(guān)鍵技術(shù)。單端反激式開(kāi)關(guān)電源的變壓器實(shí)際是一個(gè)耦合電感，它實(shí)現(xiàn)直流隔離、能量存儲(chǔ)和電壓轉(zhuǎn)換的功能。它的性能不僅對(duì)電源效率有很大影響，而且關(guān)系到開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性等技術(shù)指標(biāo)[5]。

已知參數(shù):直流輸入的最大電壓VINmax=72 V;直流輸入的最小電壓VINmin=36 V;開(kāi)關(guān)頻率fs=20kHz;輸出電壓Vo1=5 V，Vo2=24 V;輸出電流Io1=1 A，Io2=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(jí)損耗與總功率的比值;初級(jí)紋波電流Ir與初級(jí)峰值電流Ip的比值Krp=0.4。

(1) 初級(jí)電感量的計(jì)算

初級(jí)峰值電流Ip的表達(dá)式為:

Ip=Po(1-0.5Krp)ηVINminDmax

將數(shù)值代入后可求得Ip=1.17 A。

在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，由初級(jí)傳輸給次級(jí)的磁場(chǎng)能量變化范圍是LpI2p/2~Lp(Ip-Ir)2/2。初級(jí)電感量由下式確定，并代入數(shù)可得:

Lp=106PoI2pKrp(1-Krp/2)f#8226;Z(1-η)+ηη

=106×171.172×0.4×(1-0.4/2)×20×103#8226;

0.5×(1-0.8)+0.80.8=2.184 mH

(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(jià)格便宜，故本開(kāi)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[6]。其在25 ℃時(shí)飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs=350 mT。磁芯工作磁感應(yīng)強(qiáng)度可選為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的0.7倍，Bw=0.7Bs=245 mT。

根據(jù)功率和工作頻率選擇EI35型磁芯[7]，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):

Np=(LpIp×104)/(BwAe)

計(jì)算得:Np=100.2匝，實(shí)際取101匝。

對(duì)5 V輸出變壓器次級(jí)電壓Vs1=Vo1+Vl1+Vf1=5+0.3+0.4=5.7 V，其中變壓器次級(jí)繞組壓降Vl1為0.3 V，輸出肖特基整流管導(dǎo)通壓降VF1為0.4 V。

對(duì)24 V輸出變壓器次級(jí)電壓Vs2=Vo2+VL2+Vf2=24+0.6+0.7=25.3 V

其中變壓器次級(jí)繞組壓降VL2為0.6 V，快恢復(fù)整流管壓降Vf2為0.7 V。

計(jì)算次級(jí)繞組匝數(shù):

對(duì)5 V輸出:

Ns1=NpVs1VINmin#8226;1-DmaxDmax=9.39匝

實(shí)際取10匝。

對(duì)24 V輸出:

Ns2=NpVs2VINmin#8226;1-DmaxDmax =41.7匝

實(shí)際取42匝。

2.3 整流濾波

(1) 輸出濾波電感的設(shè)計(jì)。

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

L=Vo(1-Dmax)Ts0.2Iomax

對(duì)于輸出電壓Vo=5 V，輸出電流Iomax=1 A，最大占空比Dmax=0.63。

代入這些值則得:L=462.5 μH。

對(duì)于輸出電壓Vo=24 V，重復(fù)上面的計(jì)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:

Iri=I2SRSM-I2o

根據(jù)上一節(jié)得到的數(shù)據(jù)，將ISRMS1=1.712 A，ISRMS2=0.856 A分別代入上式中，可求得Iri1=1.39 A，Iri2=0.695 A。濾波電容在20 kHz時(shí)的紋波電流應(yīng)大于等于Iri。

輸出的紋波電壓由式Vri=IsprO決定。濾波電容C2，C3，C4選用330 μF/50 V，C5選用100 μF/25 V。

3 控制電路的設(shè)計(jì)

3.1 PWM控制電路

這里以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)TMS320LF2407為核心[8]，設(shè)計(jì)了全數(shù)字PWM控制系統(tǒng)，如圖3所示，具有更好的實(shí)時(shí)性，能很好的適應(yīng)PEMFC發(fā)電機(jī)的輸出特性。

圖3 基于DSP的全數(shù)字控制系統(tǒng)原理圖

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(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)一系列數(shù)字PI控制后，給全比較單元產(chǎn)生一個(gè)新的比較值，該比較值將在下一個(gè)開(kāi)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(méi)有自動(dòng)生成PWM信號(hào)的功能，要通過(guò)編程的方法實(shí)現(xiàn)它，通過(guò)一個(gè)單比較1的輸出腳PWM1實(shí)現(xiàn)所需要的PWM信號(hào)，下面具體介紹這種方法。單比較單元有一個(gè)比較寄存器，用來(lái)存儲(chǔ)比較值，當(dāng)計(jì)數(shù)器于比較值相等時(shí)，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(shí)器1工作在連續(xù)增減計(jì)數(shù)時(shí)，電平的為:輸出腳若設(shè)置為有效高，計(jì)數(shù)器為零時(shí)，輸出腳電平為零，計(jì)數(shù)器開(kāi)始增計(jì)數(shù)，當(dāng)與比較值相等時(shí)，這時(shí)輸出腳為有效狀態(tài)，電平變高。計(jì)數(shù)器到達(dá)周期值后，開(kāi)始減計(jì)數(shù)，當(dāng)減計(jì)數(shù)到比較值時(shí)，輸出腳為無(wú)效狀態(tài)，電平變低。輸出腳若設(shè)置為有效低。則此時(shí)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(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)值，T1PER為計(jì)數(shù)器1的周期值。當(dāng)TlCNT的值增加到與T1PER相等時(shí)，計(jì)數(shù)器1開(kāi)始減計(jì)數(shù)，當(dāng)T1CNT的值減到0時(shí)，計(jì)數(shù)器增計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器值隨時(shí)間變化如圖4所示。在計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值與各比較單元的比較寄存器值(SCMPR1)相等時(shí)，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(jì)數(shù)器值通過(guò)與實(shí)時(shí)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(duì)DC/DC變換器輸出電壓的實(shí)時(shí)控制。

圖4 用TMS320LF2407實(shí)現(xiàn)的PWM信號(hào)

3.2 隔離采樣電路的設(shè)計(jì)

為了保證電路的可靠運(yùn)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(guò)地線時(shí)壓降帶來(lái)的干擾。在本機(jī)中，通過(guò)電壓霍爾元件實(shí)現(xiàn)控制電路與主電路的隔離?；魻栯妷涸脑硎?將大電阻串入電壓及霍爾元件的原邊，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(guò)電阻產(chǎn)生的壓降能夠反應(yīng)主電路的電壓值。所設(shè)計(jì)的DC/DC變換器的輸出直流電壓的采樣電路[9]如圖5所示。

圖5 直流母線電壓的采樣電路

從圖5中的參數(shù)可以看出:

UADC1=Uo/10

經(jīng)過(guò)霍爾元件的隔離與運(yùn)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(gè)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?jiǎn)伍]環(huán)控制，將GV(s)設(shè)計(jì)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(jī)器的研發(fā)過(guò)程中至關(guān)重要。

在研制該機(jī)的過(guò)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[10]，再根據(jù)大致原則，對(duì)PI的參數(shù)先進(jìn)行大致的估計(jì)，不斷對(duì)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(shí)際運(yùn)行后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(shí)結(jié)果如圖6所示。

圖6 輸出電壓波形

從仿真波形可以看出，在該P(yáng)I參數(shù)設(shè)置下，所設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓基本上達(dá)到了所要求的5 V。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

研制的開(kāi)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(shí)測(cè)得的電壓波形如圖7所示。經(jīng)測(cè)量輸出電壓4.96 V，紋波電壓的峰峰值為Vp-p=35 mV。

PEMFC發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，其輸出端接開(kāi)關(guān)電源，5 V輸出接0.5 W負(fù)載時(shí)測(cè)得的電壓波形如圖8所示。經(jīng)測(cè)量，開(kāi)關(guān)電源的電壓輸出為5.01 V，其峰峰值電壓紋波經(jīng)測(cè)量為Vp-p=80 mV。

圖7 開(kāi)關(guān)電源5 V電壓輸出波形

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

圖8 開(kāi)關(guān)電源用于PEMFC時(shí)的5 V電壓輸出波形

5 結(jié) 語(yǔ)

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

參考文獻(xiàn)

[1]黃倬，屠海令.質(zhì)子交換膜燃料電池的研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2002

[2]王金全，儲(chǔ)穎，徐曄.PEMFC氫能發(fā)電機(jī)電氣特性測(cè)試與分析[J].電氣技術(shù)，2007(2): 64-68.

[3]劉鳳君.現(xiàn)代高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008.

[4]葉斌.電力電子應(yīng)用技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2006.

[5]張占松，蔡宣三.開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2002.

[6]趙修科.實(shí)用電源技術(shù)手冊(cè)磁性元件分冊(cè)[M].沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

[7]電子變壓器專(zhuān)業(yè)委員會(huì).電子變壓器手冊(cè)[M].沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1998.

[8]江思敏.TMS320LF240x DSP硬件開(kāi)發(fā)教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[9]祝常紅，彭堅(jiān).數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008.

[10]洪乃剛.電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的Matlab仿真[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.