多路輸出的PEMFC控制系統電源的研制

0 引言
PEMFC氫能發(fā)電機具有無(wú)污染、高效率、無(wú)噪聲和具有連續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(fā)電機的控制系統電源采用自發(fā)電供電時(shí)，電源系統需要適應發(fā)電機的輸出特性。控制系統正常工作是發(fā)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(fā)電系統輸出電特性的控制系統電源是非常必要的。

l 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?yōu)楦哳l方波，經(jīng)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(guò)DSP實(shí)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(dòng)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(dòng)和保護電路的設計中解脫出來(lái)。
IPM選擇三菱智能功率模塊PM300HHAl20，其包含一只300 A／l200 V的IGBT，其內部含有門(mén)極驅動(dòng)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(shí)現的保護功能有：控制電源欠壓保護(UV)；過(guò)熱保護(OT)；過(guò)流保護(0C)；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(shí)應利用故障輸出信號FO，使系統在故障發(fā)生時(shí)能夠封鎖IPM的輸入信號并停機。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(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(guān)系到開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性等技術(shù)指標。
已知參數：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(kāi)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Z=O．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=O．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。