多路输出的PEMFC控制系统电源的研制

0 引言
PEMFC氢能发电机具有无污染、高效率、无噪声和具有连续工作和模块化的特点，特别是具有不受“卡诺”循环限制、工作温度低、热辐射小等优点，在军用和民用领域都具有十分广阔的应用前景。由于PEMFC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。

l 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PM300HHAl20，其包含一只300 A／l200 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(0C)；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。PM300HHAl20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VINmax=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V01=5 V，V02=24 V；输出电流I01=1 A，I02=0．5 A；输出功率P0=5×1+24×O．5=17 W；电源效率η=80％；损耗分配系数Z=O．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=O．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。