（电力电子与电力传动专业论文）用于燃料电池的高效率dcdc逆变器的研究.pdf

i ( _ 、 a b s t r a c t gr e e np o w e r ( r e n e w a b l ep o w e r ) b e c o m e si n c r e a s i n g l ym o r ei m p o r t a n td u et o g l o b a lp o l l u t i o np r o b l e m s t h e r ee x i s tm a n yd i f f e r e n tt y p e so fg r e e np o w e r t e c h n o l o g i e ss u c ha sw i n dt u r b i n e s ，p h o t o v o l t a i cc e l l sa n df u e lc e l l s w i n dt u r b i n e s a n dp h o t o v o l t a i cc e l l sa r ew e l lk n o w na n dm a t u r e dt e c h n o l o g i e sb u tb o t hh a v ea n o b v i o u sd i s a d v a n t a g e ：t h e s et e c h n o l o g i e sd e l i v e r so n l yp o w e rw h e nt h ew i n db l o w s t h es u ni ss h i n i n g t h u s ，t h e s et e c h n o l o g i e sc a n n o tb eu s e da sp r i m a r yp o w e rs u p p l y i nt h eg r i d f u e lc e l l sc a np r o d u c ep o w e r ( e l e c t r i c a la n dt h e r m a l ) w h e ns u p p l i e dw i t h f u e la n df u e lc e l l s ( i ns o m et e c h n o l o g i e s ) c a nh a v eb i d i r e c t i o n a lp o w e rf l o w i nt h i s c a s et h ef u e lc e l lc a nt h e r e f o r eo p e r a t ea se n e r g ys t o r a g e af u e lc e l ls y s t e mc a na l s o b eu s e da sa nu n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l yf o rah o u s e ，af a c t o r yo r av i l l a g e i no r d e rt ou t i l i z et h ef u e la sg o o da sp o s s i b l e ，t h ef u e lc e l lc o n v e r t e r ( g p i ) m u s t h a v eah i g ha n db r o a de f f i c i e n c yc h a r a c t e r i s t i c s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d y d c d cc o n v e r t e rw i t hl o wv o l t a g ei n p u t ，l o wc o s t ，l o wp o l l u t i o na n dh i g he f f i c i e n c y t h i st h e s i si n t r o d u c et h ew o r kp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co ff u e lc e l lf i r s t ， i l l u s t r a t et h ei m p o r t a n c eo fu s i n gf u e lc e l li nc h i n a ，a n dd e s c r i b et h eb a c k g r o u n do f t h et h e s i sa n di t si m p o r t a n c e ，t h e ng i v et h ew o r kt h ea u t h o rh a v ed o n e t h es e c o n dp a r a g r a p hg i v eag l o b a ld e s c r i p t i o no ft h ed c d cc o n v e r t e rw h i c h i sf i tf o rt h eh i g he f f i c i e n c yf u e lc e l ls y s t e m ，a n dg i v ea na n a l y s i so ft h ew o r k p r i n c i p l eo f t h ec i r c u i tw ec h o o s e t h et h i r dp a r a g r a p hg i v e sad e e pd e s c r i p t i o no fe a c hc o m p o n e n t sp a r a m e t e r c a l c u l a t i o n t h ef o u r t hp a r a g r a p hg i v e st h ep r o t e ls c h e m ep i c t u r e so ft h em a i nc i r c u i ta n d o t h e rp a r t so ft h ew h o l ec i r c u i t ，a n dm a k e sa ni n t r o d u c t i o no ft h ep r i n c i p l eo ft h e c i r c u i t t h ef i f t hp a r a g r a p hi st h er e s u l to ft h e6 x p e r i m e n t ；c o n c l u d et h ee f f i c i e n c y c a l c u l a t i o no ft h ew h o l ec i r c u i ta n dt h es i m u l a t i o n sw i t hp s p i c e t h es i x t hp a r a g r a p hi sac o n c l u s i o na n dal o o k i n gf o r w a r dt ot h ef u t u r ew o r k k e y w o r d s ：f u e lc e l l ，i n v e r t e r , d c d c ，e f f i c i e n c y i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 南昌大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名：苏槿莽签宁日期：州年苦月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 盘量盍堂 有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允订论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用小授权书) 学位论文作者签名： 旃崖英 签字日期： 咕年g 月3 口 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 铷签名州 签字口 ，钆勺日 。加 。 7 电话： 邮编： 1 1 燃料电池概述 1 1 1 燃料电池的原理 第1 章绪论 燃料电池( f u e lc e l l ，简称f c ) 是一种不经过燃烧把燃料氧化的化学能直 接转换为电能的“发电装置”，是2 1 世纪全新、高效、节能和环保的发电方式之 一，是继水力、火力和核能发电之后的第四类发电技术。燃料电池的能量转换方 式是燃料的化学能直接转换为电能，燃料电池能够使用多利燃料，可以是石油燃 料，也可以是包括再生燃料在内的几乎所有的含氢元素的燃料。燃料转化为氢后， 再以氢作为燃料电池的燃料，其能量转换不受卡诺循环规律的限制，热效率要高 得多，可达到3 4 一4 0 左右。同普通电池相比，燃料电池是一个能量生成装置， 并且能直产生能量直至燃料耗尽。从理论上讲，只要连续供给燃料与氧化剂， f c 便能连续发电。 简单地观，燃料电池就是把化学反应的化学能直接转化为电能的装置。与火 力发电相比，关键区别在于燃料电池的能量转变过程是直接方式【2 】1 3 1 h i ，如图1 - 1 所示。 幽i 1 燃料电池直接发电与传统间接发电的比较 1 1 2 燃料电池的特点1 4 i 及应用 1 1 2 1 特点 燃料电池之所以受到世人的广泛瞩目，是因为它具有其它能量发生装置不可 比拟的优越性，主要表现在效率、安全性、可靠性、清洁性、良好的操作性能、 灵活性及未来发展潜力等方面。 1 1 2 2 燃料电池的应用 燃料电池的应用领域非常广泛，它具有常规电池( 如锌猛电池) 的积木特性， 即可由多台电池按串联、并联的组合方式向外供电。因此，燃料电池既适合用于 集中发电，也可用作各种规格的分散电源和可移动电源。 固体氧化物燃料电池可与煤的汽化构成联合循环，特别适合于建造大、中型 电站，如将余热发电也计在内，其燃料的总发电效率可达7 0 8 0 。熔融碳酸 盐燃料电池可采用净化煤气或天然气作燃料，适宜于建造区域性分散电站，将它 的余热发电与利用均考虑在内，燃料的总热电效率可达6 0 7 0 。当燃料电池 发电机组以低功率运行时，它的能量转化率不仅不会像热机过程那样降低，反而 略有上升。因此，一旦采用燃料电池组向电网供电，如今令人头疼的电网调峰问 题将不复存在了。质子交换膜燃料电池可在室温下快速启动，并可按照负载的要 求快速改变输出功率，它是电动车、不依赖空气推动的潜艇动力源和各种可移动 电源的最佳候选者。以甲醇为燃料的直接甲醇型燃料电池是为手机、笔记本电脑 等供电的优选小型便携式电源。 总之，燃料电池的应用形式可分为：现场热电联供，常用的容量为 2 0 0 k w 1 m w ；分布式电源，容量比现场用燃料电池大，约2 2 0 m w 强本负荷 的发电站( 中心发电站) ，容量为1 0 0 3 0 0 m w ；燃料电池还可以用于1 0 0 w 1 0 0 k w 多种可移动电源、便携式电源、航空电源、应急电源矛n i ：l - 算机电源等。 1 2 选题背景及研究意义 1 - 2 1 选题背景 由于全球污染问题日渐加剧，绿色能源也变得越来越重要。现存的绿色能源 技术有很多种，像风力发电，光伏电池以及燃料电池等。风力发电和光伏电池是 人们所熟知的，而且它们也有了比较成熟的技术。但是，它们都有一个明显的不 足之处：它们只在有风或是有太阳时才输送能量。而燃料电池在给它提供燃料时 就能产生能量( 电能和热能) ，而且它还能拥有能量的双向流动。从而，燃料电 池就可用作能量储蓄，燃料电池供电系统还可用作一个家庭，一个工厂或是一个 村庄的不问断电源。燃料电池是以低压直流形式输出的，这些低压直流电大多需 要进行转换，转换后的电压经d c a c 变换器变成交流电才能提供给用户使用。 0 c l ：u o l c 葺l 】删 耀露 叫豁 j l j tb 图1 - 2 ( a ) 燃料电池特性( b ) 燃料电池及逆变器 图1 2 ( a ) 是典型的燃料电池的电特性，很明显，燃料电池的输出电压v v c 是变化的且v r c 是随着功率的增加而下降的。从图中可以看出，燃料电池在加负 载的起始阶段，电压u f c 下降很快，并且随着负载的增加，电流( 功率) 增大， 输出电压也随着曲线下降，即是浇燃料电池的输出特性相对较软。此外，输出功 率频繁的波动还会导致燃料电池效率n 的下降。图( b ) 是燃料电池与逆变器的 连接图。 典型的燃料电池逆变系统如图3 所示。它包括一个d c ，d c 变换器和一个全 桥p w m 逆变器以及一个在输出端的低通滤波器。 燃料电池系统必须采用d c d c 变换器1 6 j ，其原因为： ( 1 ) f c 特性软，在燃料电池的工作过程中，随着负载的变化，燃料电池的 输出电压波动范围也较大，必须经过d c d c 变换器改善电池的软输出特性。经 过d c d c 变换器不仅可使f c 的输出电压稳定，且通过d c d c 变换器升压或降 压，可以满足d c a c 的电压等级配合要求。 ( 2 ) f c 不能有回馈能量，使用d c d c 变换器可以满足f c 这方面的特性要 求。d c d c 的使用能极大地改善f c 。 为了充分利用燃料电池的燃料，燃料电池变换器或绿色能源逆变器( g p i ) 必须有一个较宽的效率特性。为了获得高效率的燃料电池变换器，因此，研究低 压直流输入、低成本、低污染、高效率、高功率密度的d c d c 变换器有着十分 重要的意义。 图1 - 3燃料电池逆变系统的功能模块j 割 本课题主要研究燃料电池逆变系统中的d c d c 部分，包括拓扑结构的选择， 主电路及各个子电路的搭建，元器件的选取及参数的汁算等。其目的是要将2 4 v 直流电变换成3 0 0 v 直流电供燃料电池使用。 1 2 2 研究意义 1 2 2 1 改善环境污染问题 能源是国民经济发展的动力，也是衡量综合国力，国家文明发展程度和人民 生活水平的重要指标。对于当今时代来说，环境保护己成为人类社会可持续发展 战略的核心，是影响当前世界各国的能源决策和科技向导的关键因素。同时，它 也是促进能源科技发展的巨大推动力。2 0 世纪所建立起来的庞大能源系统已无 法适应未来社会对高效、清洁、经济、安全的能源体系的要求，能源发展正面临 着巨大挑战。 能源的生产与消费和全球性的气候变化，同地球上的温室效应有密切的关 系。导致温室效应的原因，一半以上是来自全球目前的能源体系，即含碳化石燃 料燃烧后所释放的二氧化碳。这类燃料所提供的能量约占世界能源的五分之四， 而且目前每年还以3 的幅度在持续增长。因此，二氧化碳的排放量也以同样的 速度递增。因此，提高能源的利用率和发展替代能源将成为2 1 世纪的主要议题。 人类社会发展至今，绝大多数的能量转换是通过热机过程来实现的。热机过 程受卡诺循环的限制，不但转化效率低，造成严重的能源浪费，而且产生大量的 粉尘、二氧化碳、氮的氧化物和硫的氧化物等有害物质以及噪声。由此所造成的 4 大气、水质、土壤等污染，严重地威胁着人类的生存环境。 燃料电池是一种电化学的发电装置，不同于常规意义上的电池【引。燃料电池 等温地按电化学方式直接将化学能转化为电能。它不经过热机过程，因此不受卡 诺循环的限制，能量转化效率高( 4 0 6 0 ) ，环境友好，几乎不排放氮的氧化 物和硫的氧化物。而且，二氧化碳的排放量也比常规发电厂减少4 0 以上。正是 由于这些突出的优越性，燃料电池技术的研究和开发受各国政府和大公司的重 视，被认为是2 1 世纪首选的洁净、高效的发电技术。 当今世界的环境问题己到了威胁人类生存和发展的程度，这并非危言耸昕。 因此，解决环境问题的关键是要从根本上解决能源结构问题，研究开发清洁能源 技术。而燃料电池正是符合这一环境需求的高效洁净能源。 1 2 2 2 我国发展燃料电池发电技术有着重大的意义 由于燃料电池具有能量转换效率高、污染极小、用水少、占地小等突出优点， 在发达国家受到政府和企业的高度重视，并成为十分活跃的重要研究领域。美国 政府1 9 9 5 年就把燃料电池列为影响美国国家安全和经济繁荣的2 7 个关键技术领 域之一；美国时代周刊1 9 9 5 年将燃料电池电动车列为2 l 世纪十大高新技术之首。 美、加、日、欧都在投入巨资丌发燃料电池，已在国防工业和民用工业等方面取 得较大进展。美、加、欧已将燃料电池应用于第三代潜艇，美国有数万台燃料电 池发电站应用于宾馆、医院及居民小区，日本已建成功率达1 1 m w 的燃料电池 发电厂。 2 l 世纪将是氢能的世纪。燃料电池作为把氢能直接转化为电能的洁净发电 装置即将大规模全面进入社会，从军用到民用，从潜艇汽车动力、卫星飞船电源 到城市区域供电，其丌发应用前景十分广阔，市场潜力巨大。我国是一个发展中 国家，能源作为基础工业在国民经济中的地位十分重要，加强燃料电池的研究开 发并逐步发展高新的经济增长点，意义重大。 1 3 关键技术 1 。3 1 半导体及电力器件的选择 碳化硅s i c 是功率半导体器件晶片的理想材料，其优点是：禁带宽、工作温 度高( 可达6 0 0 。c ) 、热稳定性好、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、p n 结 酬压高等，有利于制造出耐高温的高频大功率半导体器件。可以预见，碳化硅将 是2 l 世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料。 功率场效应管( m o s f e t ) 由于单极性多子导电，有高的丌关速度，但同时也 有较大的寄生电容。它关断时，在外电压作用下其寄生电容充满电，如果在它开 通之前不将这部分电荷放掉，则将消耗于器件内部，这就是容性开通损耗。为了 减小以致消除这种损耗，功率场效应管宜采用零电压开通方式( z v s ) 。 在低输入电压时，m o s 管中的导通损耗快速增加的一个很重要的原因就是 导通设备( 凡。) 的电阻特性使得导通损耗正比于输入电流的平方。而i g b t 呈 现的近乎是一个恒压降( v c e ( s a t ) ) ，而且它的导通损耗是线性地正比于输入电流 的。这使得在大电流场合时常用i g b t 来代替m o s 管。i g b t 最大的不足在于集 电极存在电流拖尾现象使得它的关断时间很长。这增加了开关的关断损耗，也限 制了最大开关频率。为了使得整体的效率比较高，因此i g b t 最好在z c s 状态 下关断。 变压器是电力电子产品或开关电源中重要的必不可少的部件，平面变压器是 近两年才面世的一种全新产品。与常规变压器不同，平面变压器没有铜导线，代 之以r 靼层或多层印刷电路板，因而厚度远低于常规变压器，能够直接制作在印刷 电路板上。其突出优点是能量密度高，因而体积大大缩小，相当于常规变压器的 2 0 ：效率高，通常为9 7 9 9 ；工作频率高，从5 0 k h z 到2 m h z ；低漏感f 小 于0 2 ) ；低电磁干扰( e m i ) 等。 1 3 2 控制方法 非谐振型d c d c 变换器的控制方式可以分为脉冲宽度调$ 1 ( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n p w m ) 、脉冲频率调( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n p f m ) ，p w m 和p f m 混合调制三类。其中常用的传统控制方式是恒频脉冲宽度调制。 p w m 型d c d c 变换器通常需要对被控输出变量采用闭环控制，以使变换 器对输入电压变化或输出负载电流变化能及时调节，并具有期望的动态响应。 传统的p w m 型d c d c 变换器常采用电压型控制。电压型控制只对输出电 压采样，并作为反馈信号实现闭环控制，以稳定输出电压。在其控制过程中，电 源电路中的电感电流未参与控制，是独立变量，开关变换器为二阶系统，有两个 6 状态变量，即输出滤波电容的电压和输出滤波电感的电流。我们知道，二阶系统 是一个有条件的稳定系统，只有对控制电路进行精心设计和计算，满足一定条件， 才鳓使系统稳定工作。由于开关电源的电流都要流经电感，将使滤波电容上的 电压信号对电流信号产生9 0 度延迟。因此，仅采用采样输出电压的办法，其响 应速度慢，稳定性差，甚至在大信号扰动时会产生振荡，从而损坏功率器件。 电流型控制方法正是针对电压型控制的缺点发展起来的。它增加了电流反馈 环，电感电流不再是一个独立变量，从而使开关变换器成为一个一阶无条件的稳 定系统，它只有单个极点和9 0 0 相位滞后，因而很容易不受约束地得到大的开环 增益和完善的小信号、大信号特性。 1 3 3 软开关技术 2 0 世纪6 0 年代以来，p w m 功率变换技术得到广泛的发展和应用，但这种 p w m 技术属于一种硬开关技术。所渭硬开关技术，是指开关管上的电压( 或电 流) 不为零时，强迫开关管开启( 或关断) ，这时开关管电压下降( 或上升) 和 电流下降( 或上升) 有一个交叠过程，从而导致管子在开关过程中产生开关损耗； 而且这种开关损耗与开关频率成正比。硬开关工作过程中的这一缺陷必然限制了 其开关频率的进一步提高。此外，由于杂散电感、分布电容以及功率二极管反向 恢复等作用的影响，使开关管的工作范围可能超过其安全工作区【7j 。 与此同时，随着微电子学的发展，使得各种信息处理设备、电路等实现了集 成化和小型化，进而要求为其供电的开关电源的体积和重量也相应缩小，高频化 是减小开关变换器( 特别是变压器、电感等磁性元件) 的体积和重量的有效手段。 而且，提高丌关频率对于降低开关电源的音频噪声和改善动态响应也大有好处。 为了提高开关管的工作频率，解决硬丌关工作方式下丌关损耗较大的问题，8 0 年代初美国v i r g i n i a 电力电子中心的李泽元教授等人提出了软开关概念。所谓软 开关，是指开关管在丌启或关断的过程中，其电压或电流为零，从而使丌关过程 中管予的损耗接近于零。软开关概念为降低开关损耗、提高开关频率找到了一种 有效的解决办法，理想情况下，这种开关方式在原理上可以使丌关损耗降为零， 从而使开关频率的提高不再受开关损耗的限制。 软_ j - i ：关技术的实质是在硬开关上增加电感与电容构成谐振电路。在丌关换流 时，利用电感与电流的谐振迫使开关上的电流或电压下降为零。根据丌关过程中 开关管的电压为零或电流为零，软开关方式可划分为z v s 工作方式和z c s 工作 方式。z v s 工作方式是指利用谐振现象及有关器件的筘位作用，在开关变换器 中开关管电压在开启或关断过程中维持为零。前者又称为z v s 开启，后者称为 z v s 关断；同理，z c s 工作方式是指利用谐振现象及有关器件的限流作用，在 开关变化器中开关管电流在开启或关断过程中维持为零。前者又称为z c s 开启， 后者称为z c s 关断。 直流开关电源的软开关技术一般可分为以下几类： ( 1 ) 全谐振型变换器，简称为谐振变换器。在谐振变换器中，谐振元件一直 谐振工作，参与能量变化的全过程。该类变换器与负载有很大关系，对负载的变 化很敏感，般采用频率调制的方法。 ( 2 ) 准谐振变换器和多谐振变换器。这类变换器的特点是谐振元件参与能量 变化的某一阶段，不是全程参与。这类变换器需要采用频率调制控制方法。 ( 3 ) 零开关p w m 变换器。这类变换器是在准谐振变换器的基础上，加入一 个辅助开关管，来控制谐振元件谐振的全过程，实现恒定频率控制，即实现p w m 控制。 ( 4 ) 零转换p w m 变换器。它的特点是变换器工作在p w m 方式下，辅助谐 振电路只是在主开关管开关时工作一段时问，实现开关管的软丌关，在其它时间 则停止工作，这样辅助谐振电路的损耗很小。 第2 章电路工作原理 2 1 本课题的参数设计要求 输入电压：2 4 v d c ； 输出电压：3 0 0 v d c ： 额定功率：i k w ； 效率： = 9 6 2 2 目前常用的几种d c d c 变换器拓扑结构 目前常用的d c d c 变换器拓扑结构有如下几种： ( 1 ) 单端反激电路 如图2 一l 的单端反激电路多用于输出电路与输入电路电气绝缘，或者希望多 路输出的场合0 8 ，9 o 反激式变换器中的变压器起着电感和变压器的双重作用。在 主功率管导通时，将能量储存在变压器中。在主功率管关断期间，变压器储存的 能量通过整流二极管传递给输出端。但是，这种问接传送能量的变换器不适合大 功率的场合中。 t 冉t _ 一 幽2 1 单端反激电路 ( 2 ) 单端正激电路 如图2 2 的单端正激电路形式上与反激类似。和单端反激电路的不同点是： 该拓扑是直接传送能量，可以应用的功率场合较反激电路大。但是，当主功率管 关断时必须给变压器提供能量释放回路，这也带来了各种磁复位的问题【1 0 - 1 3 。啦 端正激电路变压器的磁利用率低、丌关管电压应力高等缺点也限制了它在大功率 场合中的应用。 9 硬1 j 理 幽2 - 2 单端正激电路 ( 3 ) 半桥电路 如图2 3 的半桥电路可以做为单相逆变器或直流变换器主电路拓扑。半桥电 路相对于单端正激电路而言，开关管电压应力减小为输入电压u i n ，变压器磁芯 利用率提高了一倍。但是，半桥电路的缺点是：c 1 、c 2 电容电压不对称可能引 起变压器偏磁。 睡 图2 - 3 半桥电路 ( 4 ) 全桥电路 如图2 - 4 ，全桥电路的优点： 主功率管电压应力较小，为输入电压u i m 相同的功率等级流过功率管的电流是半桥电路的一半： 变压器磁芯利用率高。 缺点： 开关管的压降或驱动脉冲的不对称，会引起变压器铁心的偏磁； 相当于两个功率管串联使用，导通损耗大； 存在功率管直通问题。总之，全桥电路比较适用于高压输入的大功率场 合。 ( 5 ) 双管正激电路 图2 4 全桥电路 0 隧 如图2 5 ，双管正激电路的优点： 主功率管的电压应力较单端正激电路小： 桥臂上串联的二极管具有筘位主功率管电压尖峰和为变压器提供磁 复位通路的作用； 从结构上消除了桥臂直通现象，可靠性高。 当然这种电路拓扑也存在缺点： 为了保证可靠的磁复位，其工作占空比只能小于0 5 ； 为保证获得更高的输出电压，须提高变压器的变比，从而使变压器副边 续流二极管的电压应力增大。所以，它特别适用于输入电压较高，输出电压不太 高的中大功率场合。 陋， 图2 5 双管l e 激电路 ( 6 ) 推挽电路 如图2 - 6 ，推挽电路拓扑的优点： 结构简单，只需要两个主功率管： 驱动电路不要隔离，电路简单； 原边绕组可以自动磁复位。 缺点： 对变压器绕制的剥称性和功率器件参数及其驱动脉冲宽度的一致性要求 较高，容易产生磁：占饱和现象； 在丌关管关断时，漏感能量在开关管上会引起高的电压尖峰。上述缺点 限制了推挽电路的应用场合。 圈2 6 推挽 n 路 2 3b h b 电路的提出 根据本课题的设计参数要求，研制高效的低压直流输入d c d c 变换器，要解 决以下两方面问题：一是输入输出端变压器的电压变比过大；二是输入电流过大。 ( 1 ) 对于低输入电压和高输出电压的考虑 因为输入电压比输出电压低，故首先要选的是上升式的拓扑结构。为了保持 输入电压与输出电压之间的平衡，应加入一个变压器。通常变压器有两种工作方 式： 类似正激变换器：高频变压器副边开关整流管的连接使功率开关管导通 时，输入电源向负载传送能量，输出电感储能；功率丌关管截止时，输出电感的 储能通过续流二极管向负载释放。即在开关管导通的同时向负载传递能量，这种 通常应用在大功率场合。 类似反激变换器：变压器在功率开关管导通期问只存储能量，在截止期问 才向负载传递能量，高频变压器在工作过程中既是变压器又相当于一个电感1 2 1 这种通常应用在中小功率的场合。 山前面的分析可知，我们所选的拓扑结构必须具有的特性为：上升式的以及 大的变比。 ( 2 ) 对于大输入电流的考虑 大电流会引起一系列的问题，例如大输入电磁干扰( e m i ) 滤波器，当不能应 用软开关技术时会产生严重的无线发射干扰( r f l ) 、严重的传导损耗等问题。 有两种方法可以用来改善输入e m i 滤波器，即电流源输入及交错连接技术。 电流源输入有一种典型的拓扑结构即b o o s t 电路，它的输入电流是工作在连续 工作模式( c c m ) 下的。交错连技术是最常用来降低输入e m i 滤波器的一种方法， 因为它有倍频的功效。为了要改善r f i ，只要使主开关当中的一个或者两个都工 作在z v s 下就可以，而采用z c s 则能大大降低r f i 的数量级且更易满足r f i 的要 求。 基于以上的分析，最终的拓扑结构应具有的特征为：升压、高变压比和电流 源输入或交错连接技术。b h b 的电路结构就能满足这方面的要求。 b o o s t 半桥结构无论对于输入电流还是输出电流都是工作在电流连续模式 下的，因而输入谐振电流及e m i 相对来况比较小它有如一f 优点： f u 路结构非常简单： 丌关管都能实现软开关： 输入输出电感电流连续，输入输出滤波器很小： f 电路器件电压应力小，副边整流二极管不存在低载应力过大问题。 2 4 b h b 电路描述 2 4 1 电路的工作原理 为了满足以上特定的参数要求，本课题采用不对称升压半桥( b h b ) d c d c 变换器。这种不对称升压半桥电路的拓扑结构如图27 所示。变换器的主要元器 件有：两个开关管q ，q 。( 包括反并联二极管) ，谐振1 乜容c ，及电感b 。采用这 种结构有以下特点：元器件少，实现了软开关，降低了输入e m i ，并且它是非常 适合于低压大电流的应用场合的一种高效的d c d c 变换器。 d 。- - 。d 。2 。 。 t d 4 图2 7主电路原理圈 电路可以分成2 个部分：一是由电池、i 。q 。、q ：、e ，组成的b o o s t , 电路。 另一是由q ：、e 。、t 、e ：、q ，组成的不对称半桥电路。q i ，q 。的驱动波形除死区时 间( 包含谐振时问) 外是完全互补的。 电路的工作模式： 电路的模式l 如图2 8 所示，图中q 导通，q 。关断。u 。( 燃料电池) 给l 充电储能，如通过q ，t 给负载放电。 d2 k l ld ! 蕾】 i _ 图2 - 8 模式l 电路的模式2 如图2 - 9 所示，图中q 。保持关断不变，q ，在并联电容c 。的作 用下，可以看作是软关断z v s 。u 。l ，给c ，充电，通过t ，c 继续给负载放电。 当v 。上升到升压电路电容e i 的电压u 。时，q ：的反并联二极管导通，此时开通q ：， 是z v s 。( 电流流过路径与模式l 相似，只是电流从q 转移到c 、) 迤 c + e l 比 一 d i! d 2 r r n m 、= =lg j【j 12 4 v 蜒 t | | c i 勘整 - ! ln cl ，15 生4 ld 2d 4 一 上”一 jc草 e 2 j i a m 图2 - 9 模式2 电路的模式3 如图2 1 0 所示，图中q 关断，q ：导通，l 。通过q ：给e 。充电， 同时一部分通过e 。，t ，u 。给负载供电。 + i je l 尸 叼鲞k ： ld d 2 = ：，b 0 n 【jc b 岖e 鬻 i i r l i e 2 j一 剖2 1 0 模式3 电路的模式4 如图2 - 1 1 所示，图中q 。关断，q 。导通，当i 。小于变压器原 边所需电流i 。时，f i 王池和升压电容e 都将对负载提供能量。 s 雨：“鞫霞 。舅墨。 ： 肥t t l 1 - 上盯i f 戽l 霪 。，啊l 一 l t l 鞘：l f 幽2 】2模式5 b i i b 电路的稳态波形特性如图2 1 3 所示。 q e ；二二二二譬 _ 皇 v q c l ： 毒墨i 三i 三三一 喜= 兰乎等令， 二二兰每；二争 ：乏二习ii ；么 。2 寺，旁鼍， 十一 _ ： 一： t 2 t 3 t 4t 5t 6 t 7 f t o ) t l 图2 1 3b i i b 电路的特征波形 2 4 2 稳态分析 为了描述这种电路最基本的运行情况，现做如下假设： ( i ) m o s 管是理想的，它没有导通压降，没有开关损耗及开关时问。 ( 2 ) l i 且容e 2 足够大使得在它上的电压为恒定值。 ( 3 ) 滤波电容e 3 足够大时的输出电压恒定。 ( 4 ) m o s 管的通断转换期间没有延迟时间。 首先，令q 的开关频率为f 。，d 为q 的占空比，p ，。为输入功率，p 。为输出功 率。有p j | 】= p 。q ，式中，p 。为输出功率，n 为效率。电感l 。1 的平均电流为：t ：生。 v 。 因此，使得电感工作在c c l l l 模式下的最小电感值l 1 为： l = 鲁。， 从而i 。1 的纹波电流可表达为： a i ：型m 旦! ill iil 可以舭k = t i ，+ 铬咖k 。：i l - - 肌且j u e i ：兰。稳 态时，电感和变压器上都没有直流压降，故电容e ，上的电压等于输入电压u 。 从b h b 电路的整个工作过程来看，在d t 时间间隔内，q 一直保持导通，变 压器原边的电压等于u 。从而副边的整流输出电压为n u 在( 卜d ) t 期间， 当q 。保持导通时，变压器原边电压为u 。, - u 。，副边的输出电压为n ( 一u “) ，有 输出电压u 。= n u ，。d + n ( u 。，- u 。) ( 1 - - d ) = 2 n d u 。得到变压器的变比为 。= 望业!。 2d u 。 输出滤波电感在d t 和( 1 - d ) t 期问纹波电流均为：f 。，= 堕警d r 通常，为了防止饱和，磁：卷当中要加气隙，这样会使得磁芯电感l m 减小，磁 化纹波乜流增加，导通损耗增加并且影响了变换器的动态性能。 其它有助于计算导通损耗的量有：开关电流的有效值i 。，f 。：。，以及原 边电流f 。和副边电流 删。它们的推导过程如下： 在时间间隔d t 内，开关q 1 的电流是由，g d c 和a i 口组成的： k + m ，帆= 去+ n 鲁+ j m = n a i l2 + a i m 川胪n a i l 2 + a i l ，= ”毪胛+ 等胛 从而可以得出q 电流的有效值为： i 0 、。= 一df 乜。+ 盲a t 2 i “沥 z ( ：兰兰：垫i 同理，在( 卜d ) t 期问，开关q z 的电流是由，a ：。、和a i q 2 组成的： k 烈t 刊，k 熹一n 长 i o 一2 = n a i l 2 + 乩一m t 钏m 一蝇- 钏型学胛一等肿 从而丁f = 关q ：的电流的有效值可表达为： 岛2 m = 1 一d压存。牺 变压器原边电流的有效值等于副边电流有效值的n 倍，也等于输出电感电流 的n 倍。 。一= 毗：。z ”压。：心。，+ 立 j ( 等。， 2 + 掣 d i - d 。的电压应力和电流的有效值作用也很大。我们不采用在副边有中心抽 头的变压器而采用副边带一个绕组和全桥整流器的变压器。虽然后者多了两个二 极管，但是二极管上的电压应力却比前者小的多，这尤其适用于大输出电压的系 统。 v 祧f ”而d u j ，v , z = v m = n u j b d 时牺硪：牺 d m 。：厕躁1 2 ：而 ( 1 ) 阶段l ( t o t ：) ： i u 近似从i 。充电到i 电流线性上升， “r ) = “u + 警( f u 。右边 b 2 则从v 。经变压器、漏感l g 、q i 放电，放电时问为d 1 1 。为方便起见，e ：可以 近似看作恒压充放电，上面电压纹波很小，故e 2 的取值要稍大一些，取e 。为1 2 0 f ， 阶段a ：( t 。一t ，) ，这时是整流二极管的换流，这个期问变压器短路，e ：，l 。， q 形成回路。原边电流下降很快，从正的最大值变为负值。变压器原边电流i 。 为 脚：蕊) g 乇) f 如，) 阶段b ：( t - - t 。) ，这时是二极管的换流结束，变压器向付边输出功率，e z ， l g ，t ，q 。形成回路，由于回路中串连了副边等效电感，电流下降较慢。 “归_ “卜糍”印：， 这是下桥臂q 给负载供电阶段。这阶段电容v c ，两端电压v c - ( t o ) = v c t ( t z ) = o k ， + ：+ i l l + ，j g 2 h - - f 1 肛 一k ：掣掣幽研+ 掣掣卜叫 其中西= 击2 今7 一匡一 习厶r 一、石一 l 。( 厶+ ) 时( t + ) c 。 ，i ( t 2 ) = i l l ( f ：) + f 。一( f ：) ，且在低压大电 流电路参数中v c 。( t ) 的前一项远大于后一项，有 vf，。，：警sin国，+一c。一c。s酬，：t。：，z，。in耐 谐振到v 。f 的时间t ：! a r e s i n 竖 。 ：土a m 。i n ! !，v c 一就上升到v m 这段时间非常小，可以认为i ，k 都没有 时间t 2 ，在t 2 到t 3 这段时间内开通q ：都是z v s 。这是q ：z v s 开通的谐振阶段。 这时候q ：开通，i 。线性下降，t ( f ) ：( f ，) 一掣( t - t 3 ) 1 9 + n一。 争净 三 玎吐 一 r l ，。一 = 变压器原边电流i p r ij 3i , 一( f ) ：i p 。( 乙) + 毕。一乙) f ( 如，f 。) l 。，t ，q 形成回路。由于回路中串连了副边等效电感，电流上升较慢。 ，。，= ，c ，+ ! 兰乏三 劳。一，z c ， 过程与阶段3 相似，只是当i 。小于i 。，i 时，即i 。过零后，q 。中电流反向， v i i 】= 厶等心 时鲁+ ( ”争胳忘。 i l l + i c l = i r 忙g - - d 1 f f 。以 计算得- ，( 垆丝竽s i nc o t + 1 l 1 ( f 。- - i p r i ( 乇) c o s 缈f 此， - 一 va(。：。一警sin国，+k_v(1-coscot)， 2 0 同样令 z ，= 后一 有 ，i c , ( t 6 ) = l l i ( f 6 ) 一。( 吒) ， 心m 。一掣s i n 耐+ 等( 1 - - c o s c o t ) 2 ，一七一( t 6 ) z rs i n 耐+ 等( 1 - - c o s 耐) 同样可得，谐振到v 。的时间约为t ：一1a ，c s i n 竖 础l c l ( t 6 ) z ， 其中 1 萨。面2 岛2 掰耻叱h + 由于此阶段c 。放电电流的初值为电感l 与变压器原边电流之差，所以v 。 从v 。，降到0 的这段时问要得长些。i 。( t 7 ) 近似可以看作。，计算出i 。后， 可以计算出i ( t ，) = i i 。( t 7 ) ，计算电容c 1 电压下降到零的时间为t 。， 这是q 。z v s 开通的谐振阶段。然后就进入到下一个循环，此时有： v c ，( t o ) = v 。( t ，) = 0 ，i 。，( t o ) = i 。( t t ) = i h ；。，ip r i ( t 。) = i ，。( t 。) 。 2 4 3 软开关分析 本段将论述原边开关q 和q 。如何实现零电压开关的。在前述分析中，q 。和 的死区时间是被忽略了的。实际上，为实现软开关，包括谐振时问在内的死区 时问是必须的。q 和q 2 的软开关的实现依赖于电感l ，和电容c 。之间的谐振。谐 振电感l ，包括l ，漏电感l 。( 如果l g 不够大，还要加辅助谐振电感) 以及输出 电感l ：。谐振电容c 。包括m o g 管的寄生电容以及并联加上去的用于减少m o g 管 的关断损耗的电容。 在q 。关断和q ：开通的死区时问问隔内，b o o s t 电感l 和原边电感l g 共同给 2 1 谐振电容c 充电，能量很大，因此瓯的零电压开通很容易实现。 在q ：关断和q 。开通的死区时间间隔内，b o o s t 电感l 。给谐振电感c ，充电； 原边电感1 。使得谐振电感c 。放电，释放储存在c 。中的能量，我们需要很大的电 感l 。及很大的原边电流i m 因此q 的零电压开通比q ：更困难，且l 。过大会使得 占空比丢失。 由于电容e 。和c ，的存在，我们可以将q 。和q 2 都看成零电压关断。 值得注意的是，如果谐振电感中的能量大于谐振电容c 。中的能量的话，就 能够实现零电压开通。即： 对于为实现零电压开通，要求圭t 2 。+ 圭厶午三c 1 ( 芒) ； 对j 二q 。，为实现零电压开通，要求圭。一互1 厶f | 2 圭c l ( 芒) i r m 。= 甩f s e 。- t - 0 = n i l 2 。+ 0 ，忽略i n ，有。= ，2 f s e 。= n i l 2 。 在稳态分析中，谐振阶段更为详细的数学表达式在模式2 和模式5 中，这两 个阶段的谐振频率和谐振时问都是可以计算的。从以上的分析中我们可以看出， 如果q 。能实现零电压开通，q ：则更容易实现零电压的开通。 第3 章功率变换器中元器件的参数设计 3 1 功率变换器中磁性元件的设计 3 1 1 概述