基于PEMFC的控制系统电源的设计分析

PEMFC氢能发电机发出的是变化范围较大的直流电，必须经过稳压、逆变等转换后，获得稳定的输出电压后才能应用于负载。在PEMFC发电机的控制系统电源采用自发电供电时，电源系统需要适应发电机的输出特性。控制系统正常工作是发电机安全可靠运行的重要条件，可靠的电源是控制系统稳定运行的基础，因此，研究适应PEMFC发电系统输出电特性的控制系统电源是非常必要的。

1 PEMFC控制系统电源总体结构设计

本文分析了一种输入／输出隔离型的DC／DC变换电路结构，如图1所示。该电路采用单端反激式结构，以PwM方式首先将PEMFC输出的36～72 V直流电压逆变为高频方波，经高频变压器降压，再整流滤波得到稳定的24 V和5 V直流电压。其主要由三菱智能功率模块(IPM)、高频变压器、整流滤波电容、霍尔电压传感器和PwM控制板组成，PWM控制板通过DSP实现。



2 主电路的设计

2.1 IPM功率模块

IPM即智能功率模块(intelligent power module)，它是将IGBT连同其驱动电路和多种保护电路封装在同一模块内，使系统设计者可从繁琐的IGBT驱动和保护电路的设计中解脱出来。

IPM选择三菱智能功率模块PM300HHA120，其包含一只300 A／1 200 V的IGBT，其内部含有门极驱动控制、故障检测和多种保护电路，并且内置有电流传感器。

IPM可以实现的保护功能有：控制电源欠压保护(UV)；过热保护(OT)；过流保护(OC)；短路保护(SC)。需要强调的是，IPM的保护功能自身并不能排除故障。在电路设计时应利用故障输出信号FO，使系统在故障发生时能够封锁IPM的输入信号并停机。PM300HHA120的控制输入和输出都用光耦隔离，如图2所示，采用隔离的电源单独供电，确保安全可靠。



2.2 高频变压器

高频变压器的设计是研制开关电源的关键技术。单端反激式开关电源的变压器实际是一个耦合电感，它实现直流隔离、能量存储和电压转换的功能。它的性能不仅对电源效率有很大影响，而且关系到开关电源的电磁兼容性等技术指标。

已知参数：直流输入的最大电压VIN=72 V；直流输入的最小电压VINmin=36 V；开关频率fs=20 kHz；输出电压Vo1=5 V，Vo2=24 V；输出电流Io1=1 A，Io2=0.5 A；输出功率Po=5×1+24×0.5=17 W；电源效率η=80％；损耗分配系数Z=0.5，Z为次级损耗与总功率的比值；初级纹波电流Ir与初级峰值电流Ip的比值Krp=0.4。

(1)初级电感量的计算

初级峰值电流Ip的表达式为：


将数值代入后可求得Ip=1.17 A。

在每个开关周期内，由初级传输给次级的磁场能量变化范围是LpI2p／2～Lp(Ip-Ir)2／2。初级电感量由下式确定，并代人数可得：



(2)磁芯的选择。铁氧体软磁材料是复合氧化物烧结体，电阻率很高，尤其适合高频下使用，并且价格便宜，故本开关电源中的高频变压器使用R2KB锰锌铁氧体材料制成的磁芯。其在25℃时饱和磁感应强度Bs=350 mT。磁芯工作磁感应强度可选为饱和磁感应强度的0.7倍，Bw=0.7Bs=245 mT。

根据功率和工作频率选择E135型磁芯，其Ap=1.52 cm4，Ae=1.04 cm2，Aw=1.46 cm2。

(3)确定变压器各绕组匝数。确定变压器的磁芯后，可根据下式求得变压器原边的匝数：



计算得：Np=100.2匝，实际取101匝。

对5 V输出变压器次级电压Vs1=Vo1+Vl1+Vf1=5+0.3+0.4=5.7 V，其中变压器次级绕组压降Vl1为0.3 V，输出肖特基整流管导通压降VF1为0.4 V。

对24 V输出变压器次级电压Vs2=Vo2+VL2+Vf2=24+0.6+0.7=25.3 V

其中变压器次级绕组压降VL2为0.6 V，快恢复整流管压降Vf2为0.7 V。

计算次级绕组匝数：

对5 V输出：