燃料电池DC/DC变换器的设计

王晔

(许昌学院，河南许昌461000)

燃料电池DC/DC变换器的设计

王晔

(许昌学院，河南许昌461000)

DC/DC变换器作为燃料电池供电系统中的重要组成部分，必须要求其有较高的转换效率。针对燃料电池的特性设计出一种简单高效的两级DC/DC变换器，该变换器以TMS320F2812为控制器核心，Boost和全桥移相电路为主电路的拓扑结构。介绍了硬件系统的整体设计和主要参数的计算，通过仿真和实验证明此DC/DC变换器的转换效率大于90%。

DC/DC变换器；燃料电池；转换效率

随着人们对环保和能源的供给越来越重视，汽车行业的发展越来越引起人们的重视。当前在可用于替代汽油和柴油发动机的技术中，最被看好的是燃料电池技术。由于燃料电池的输出特性较软，其端电压变化范围比较宽，因此DC/DC变换器前级需要一升压环节，主要是在提高燃料电池输出电压的同时达到稳定输出电压的目的，此外前级系统要实时跟踪燃料电池最大功率点，现有DC/DC变换器其最大功率点追踪往往很不到位，这就会影响系统的工作效率，为此本文介绍了一种燃料电池DC/DC，以Boost和全桥移相电路为主电路拓扑结构，对主电路参数进行了精确设计，大大提高了系统的工作效率。

1 燃料电池DC-DC变换器硬件系统的构成

DC/DC变换器作为燃料电池供电系统中的重要组成部分，必须要求其有较高的转换效率；由于燃料电池的输出特性软，为了能提供稳定的输出电压还要求DC/DC转换器有较高的自适应能力和一定的升压能力。基于这些要求本文研究了一种两级DC/DC变换器，其硬件系统主要由前级Boost系统及全桥移相控制系统两部分组成。图1为燃料电池DC-DC变换器硬件系统构成图。

图1 燃料电池DC-DC变换器硬件系统构成图

开关电源给系统供电，当系统带电起动后TMS320F2812 DPS实时跟踪采样电路采样的输入输出数据，并进行计算，将产生PWM信号传送到隔离驱动电路，实现了稳定燃料电池电压的功能，此外电路还具有自适应功能，即当控制信号发生变化时，控制算法也随之做出调整，DC/DC变换器能实现快速响应。

2 前级Boost系统的设计

由于燃料电池的端电压变化范围比较宽，其前级升压环节，不仅要提高燃料电池的输出电压，还要完成稳定输出电压和对燃料电池最大功率点进行追踪的任务，本文采用Boost系统作为前级电路，其主要由Boost主电路和控制电路两部分组成。Boost主电路如图2所示。

2.1 Boost主电路参数

Boost主电路的作用是对燃料电池的输出电压进行调节，经Boost电路变换后的电压可以达到某个稳定的值，减少了反向尖峰电压作用于开关管上所造成的元件损耗。Boost主电路参数的选择直接影响系统性能的好坏。

图2 燃料电池DC/DC电源变换器主电路图

本文设计的大功率燃料电池DC/DC变换器的技术指标是：输入电压：80～250 VDC；输出电压：220 VDC；输出功率：5 kW；开关频率：20 kHz；功率因数>95%。基于此技术指标我们对主电路的电感、电容参数做了精确计算，并对功率管和二极管做了选型。

(1)电感参数计算

本文是根据波纹电流值来确定电感值的，具体算法如下：

假定电路具有理想的功率，则：

式中：Pi是从燃料电池吸收的功率；P0是PFC电路输出的瞬时功率。取η=0.8则输入最大峰值电流：

则流过电感的最大电流为：

实际电路中，取L=1.5 mH。

(2)电容参数计算

为了使电路维持时间达到要求，本文实际电容值按式(4)计算：

式中：Δt为维持时间；vo_min为最小输出电压值。

若Δt=34 ms，设vo_min=80%×vo=320 V，则可计算：

实际电路中，取C=12 mF。

2.2 控制电路设计

DSP控制系统的核心为TMS320F2812DSP，本文选用的TMS320F281是目前工业控制和机器人控制等领域中最高档的DSP之一，该芯片资源非常丰富，可大大简化外围电路设计。

(1)电源电路设计

TMS320F2812DS除CPU内核电源外，其余的各个电源均为3.3 V，为了保证各模块在上电的时候保持正确复位状态，保证芯片正常工作，本文选用了型号为TPS73HD301的芯片作为DSP的电源供应，它的参数如表1所示，具体电路如图3所示。

TPS73HD301?? ?0.3～11 3.3 1.2～9.75 750?????????????????????????????/V ????/V????/V????/mA

图3 DSP电源供电电路

(2)采样电路

TMS320F2812 DPS进行控制算法时需要采样电路提供实时数据，电压、电流数据采样系统的精确性与稳定性直接影响着系统的工作效率。本文采用TLC2543组成A/D转换电路，由TLC2543完成逆变主电路输出峰值电流、直流电压、电流有效值的采集。其工作过程如图4所示。电压、电流霍尔传感器的输出信号一路经过跟随，滤波，然后通过阻容电路变成平滑的直流有效值信号，输入到TLC2543的一个模拟输入通道。因为TLC2543的工作电压为5 V，所以进入AD的芯片采样信号幅值必须在0～5 V，同时加上限幅电路，以免过高信号进入AD模拟通道端口，损坏芯片。

图4 采样电路

3 全桥移相控制系统的设计

3.1 主电路参数选择

(1)超前桥臂并联电容的选择

设电路电流恒定，则开关管电压上升时间等于电容充放电时间：

若5 kW电源IP(OFF)先取值12 A，取开关管电压上升时间为电流下降时间的3倍：

则超前桥臂并联电容为：

(2)滞后桥臂并联电容的选择

根据前面的推导超前桥臂电容C1=C3=2 850 pF，滞后桥臂并联电容可取值为：

又因为IGBT有160 pF的输出结电容，故5 000 W软开关电源并联电容取C2=C4=1 800～2 000 pF。

(3)谐振电感的设计

谐振电感不仅要有滤波功能，还要为实现零电压开关提供足够的能量。而谐振电感要实现滞后桥臂的ZVS，必须满足以下的条件:

式中：Coss为场效应管的输出电容；Lr为谐振电感；Ip为滞后桥臂开关管关断时原边电流的大小。

IKW25T120的场效应管输出电容为160 pF，Vimax=358 V，所以串联谐振电感Lr=3.6 mH。

3.2 驱动电路设计

本系统IGBT的驱动电路由VLA517和光电耦合电路组成，此电路不仅保证了驱动功率，而且具有很强的抗干扰能力，具体电路如图5所示。

图5 IGBT驱动电路

4 实验数据分析

在设计过程中我们对主电路进行了测试，主要技术参数：额定功率5 kW；电源电压48 V±10%；额定输出电压220 V±1%(DC)；额定电流28 A；输出电压纹波不大于7 V；过载能力42 A(2 min)；效率大于等于90%；具有输入过压、欠压、过流，输出过压、欠压、过流、过温等保护功能。

实验结果：图6为开关管驱动电压及高压侧的电流波形，从图中可以看出输出电压为220 V时，其输出电流为8.5 A，变换器的效率为91.8%。

图6 开关管驱动电压及高压侧的电流波形

5 总结

本文以TMS320F2812为控制器核心，Boost和全桥移相电路为主电路拓扑结构,介绍了两级DC/DC变换器硬件系统的整体设计和内核模块的设计，通过实验我们发现选用全桥电路不仅能提高变压器铁心的利用率，还可以减小开关管的应力，但与此同时在实验中我们也发现系统变压器的偏磁现象并没有得到改善，这也是我们今后努力的一个方向。

[1]方如举，吕延会，张元敏.燃料电池逆变供电系统的建模和控制[J].电力系统保护与控制，2012，40(3)：90-94.

[2]孙娇俊，孙涛，龚春英.一种用于燃料电池发电系统的前级DC/DC变换器[J].电力电子技术，2009，43(2)：17-18.

[3]曹文思，杨育霞.基于状态空间平均法的BOOST变换器仿真分析[J].系统仿真学报，2007，19(6)：1329-1334.

[4]金科，阮新波，杨孟雄.复合式燃料电池供电系统[J].电工技术学报，2008，23(3)：92-98.

[5]吴屏，朱选才，徐德鸿.高效燃料电池发电系统前级DC/DC变换器[J].电力电子技术，2007，41(9)：169-171.

Design of fuel cell DC-DC converter

WANG Ye
(Xuchang University,Xuchang Henan 461000,China)

As a key part of a fuel cell,DC-DC converter needs higher conversion efficiency.According to the feature of fuel cell,a simple and efficient two-stage DC-DC converter was designed.In the converter topology structure,a TMS320F2812 was adopted as core controller,and Boost and phase-shift full bridge were adopted as main circuit.The hardware system overall design and key parameter calculation were introduced.The simulation and experimental data prove that the conversion efficiency is higher than 90%.

DC-DC converter;fuel cell;conversion efficiency

TM 911

A

1002-087 X(2016)08-1613-02

2016-01-04

河南省科技攻关计划项目(072102240033)

王晔(1982—)，男，河南省人，讲师，主要研究方向为电气自动化。