基于PEMFC的控制系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)分析 - 全文

　　PEMFC氫能發(fā)電機(jī)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?？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PM300HHA120，其包含一只300 A/1 200 V的IGBT，其內(nèi)部含有門極驅(qū)動(dòng)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(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)(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。

?

　　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(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=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：

?

　　將數(shù)值代入后可求得Ip=1.17 A。

　　在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，由初級(jí)傳輸給次級(jí)的磁場能量變化范圍是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(jià)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(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(jì)算得：Np=100.2匝，實(shí)際取101匝。

　　對5 V輸出變壓器次級(jí)電壓Vs1=Vo1+Vl1+Vf1=5+0.3+0.4=5.7 V，其中變壓器次級(jí)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(jí)電壓Vs2=Vo2+VL2+Vf2=24+0.6+0.7=25.3 V

　　其中變壓器次級(jí)繞組壓降VL2為0.6 V，快恢復(fù)整流管壓降Vf2為0.7 V。

　　計(jì)算次級(jí)繞組匝數(shù)：

　　對5 V輸出：

?

　　實(shí)際取10匝。

　　對24 V輸出：

?

　　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%。

　　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(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：

?

　　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(shí)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(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，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。

?

　　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(dòng)生成PWM信號(hào)的功能，要通過編程的方法實(shí)現(xiàn)它，通過一個(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，開始減計(jì)數(shù)，當(dāng)減計(jì)數(shù)到比較值時(shí)，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(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l的周期值。當(dāng)T1CNT的值增加到與T1PER相等時(shí)，計(jì)數(shù)器1開始減計(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(SCMPRl)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DC/DC變換器輸出電壓的實(shí)時(shí)控制。

?

　　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地線時(shí)壓降帶來的干擾。在本機(jī)中，通過電壓霍爾元件實(shí)現(xiàn)控制電路與主電路的隔離。霍爾電壓元件的原理是：將大電阻串人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(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單閉環(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)過程中至關(guān)重要。

　　在研制該機(jī)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(jì)，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(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。

?

　　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(jī)在運(yùn)行時(shí)。其輸出端接開關(guān)電源，5 V輸出接0.5 W負(fù)載時(shí)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(yàn)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(jī)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(jì)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(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(jī)的輸出特性，滿足控制系統(tǒng)的需求。