多路輸出的PEMFC控制系統(tǒng)電源的研制

0 引言
PEMFC氫能發(fā)電機(jī)具有無污染、高效率、無噪聲和具有連續(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)，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。控制系統(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。

l 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(shí)現(xiàn)。

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)，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。
IPM選擇三菱智能功率模塊PM300HHAl20，其包含一只300 A／l200 V的IGBT，其內(nèi)部含有門極驅(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)；過熱保護(hù)(OT)；過流保護(hù)(0C)；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)。PM300HHAl20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。

2．2 高頻變壓器
高頻變壓器的設(shè)計(jì)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(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VINmax=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V01=5 V，V02=24 V；輸出電流I01=1 A，I02=0．5 A；輸出功率P0=5×1+24×O．5=17 W；電源效率η=80％；損耗分配系數(shù)Z=O．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Krp=O．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：

將數(shù)值代入后可求得Ip=1．17 A。