燃料电池高增益交错升压变换器的仿真与实现

Dr.R.Seyezhai¹, R.Anitha², S.Mahalakshmi^3., M . . Bhavani⁴

印度金奈SSN工程学院EEE系副教授
印度钦奈，SSN工程学院EEE系大四学生2、3、4

摘要

本文的目标是设计并实现一种用于燃料电池系统的使用开关电容器的高增益交错变换器。燃料Cell是分布式发电技术中很有前途的技术之一。为了设计高效的燃料电池动力系统，需要一个合适的DC-DC变换器。在各种拓扑结构中，使用开关电容器的交错转换器由于转换效率高，被认为是燃料电池系统的较好解决方案。在本文提出的交错变换器中，前端电感采用磁交叉耦合，以提高电性能，减小重量和尺寸。此外，还采用了开关电容器来提高变换器的电压增益。所提出的转换器已经实现。利用MATLAB/SIMULINK对基于开关电容与燃料电池接口的交错变换器进行了仿真研究。最后开发了一个样机来验证仿真结果。

关键字

燃料电池，交叉耦合电感和开关电容器的交错升压转换器

介绍

在全球气候变暖的背景下，燃料电池以其高能效和环境友好性成为未来可持续发展的重要能源技术之一。与其他类型的燃料电池相比，质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其低温、高功率密度、响应速度快、纯氢零排放等优点表现出了迷人的吸引力。燃料电池有很多用途。燃料电池为公共汽车、船只、火车、飞机、摩托车、叉车甚至自行车提供动力。这里有燃料电池驱动的自动售货机、真空吸尘器和高速公路路标。用于手机、笔记本电脑和便携式电子产品的微型燃料电池正在走向市场。可能性是无限的。为了准确预测燃料电池的输出特性，燃料电池的建模是必不可少的。在对燃料电池进行数学建模时，应考虑由激活、浓度和欧姆损失引起的电压降。单个燃料电池的输出约为0.7 V。 Many cells are stacked in series to get a higher voltage. The fuel cell stack output can be boosted to the required level using a boost converter which converts a DC voltage to a higher DC voltage. Interleaving, adds additional benefits such as reduced ripple current in both input and output circuits. Higher efficiency is realized by splitting the output current „nÃ¢ÂÂ paths, substantially reducing I2R losses and inductor losses. The DC output voltage of the fuel cell is given to a high gain interleaved converter using switched capacitors [1] with cross coupled windings. The output of interleaved converter using switched capacitors is given to resistive load.

2交叉耦合电感和开关电容器的交错变换器

正常的升压变换器将直流电压转换为更高的直流电压。交错增加了额外的好处，如减少输入和输出电路的纹波电流。更高的效率是通过将输出电流分成“nÃⅱÂ′Â′”部分来实现的，大大降低了I2R损耗和电感损耗。为了提高变换器[2]的电压增益，加入了开关电容器。交错boost变换器的优点是电流纹波最小，效率提高，瞬态响应更快，电磁发射减少，可靠性提高[3,4]。本文提出的带绕组交叉耦合电感(WCCIs)和开关电容器(SCs)的隔离式高增益交错变换器如图1所示。耦合电感器的耦合方式用“o”和“*”标记。第二个绕组对电感器在其相(L1b对L1a和L2b对L2a)和第三个绕组对电感器在另一个相(L1c对L1a和L1b, L2c对L2a和L2b)。电压增益扩展电路由耦合电感的第三绕组、开关电容和二极管组成，具有电压增益扩展和开关电压应力减小的优点。有源箝位电路由功率MOSFET和一个小电容组成，插入到每个相的主侧，以回收泄漏能量并吸收主开关关闭时的电压峰值。文中给出了该变换器的等效电路模型，其中Lm1和Lm2为磁化电感; LLk1 and LLk2 are the leakage inductances; Cs1 and Cs2 are the parallel capacitors of the main switches; Sc1 and Sc2 are the active-clamp switches; Cc1 and Cc2 are the clamp capacitors; S1 and S2 are the main switches; Do1and Do2 are the output diodes; Co is the output capacitor; Csc1 and Csc2 are the switched capacitors; Dsc1 and Dsc2 are the switched diodes. Based on the PWM gate signals of the main switches S1, S2 and the clamp switches Sc1, Sc2, there are 16 stages in a switching period. Due to the symmetry of the converter, only 8 stages are described here.

图3.3显示了带绕组交叉耦合电感和开关电容的高增益交错变换器的电感电流、开关电流和二极管电流。

3设计注意事项

交错升压变换器的设计包括相位数、电感、输出电容、功率开关和输出二极管的选择[5,6]。基本上，设计从一个单升压转换器开始，工作功率为1/n倍。

A.选择阶段数

由于纹波含量随相位数的增加而减少，本文采用了三相。纹波降低到传统升压变换器的12%。

b .占空比的选择

占空比的决定是基于相的数量。这是因为根据相位的数量，在一定占空比下纹波最小。

C.电容和电感的选择

其中Vs为源电压(V)， D为占空比(无单位)，F为频率(Hz)， Δi L为电感电流变化(A)。

d .动力装置的选择

功率二极管用于低接电压，高反向漏电流，高工作频率。由于MOSFET是一种电压控制器件，具有较高的门电路阻抗，因此被用作开关器件。由于其温度系数为正，因此不会发生二次击穿。

四、使用开关电容器与燃料电池系统的交错升压变换器接口

图3展示了PEM燃料电池与交叉耦合电感开关电容交错Boost变换器接口的仿真模型。燃料电池的输出给三相交错升压变换器使用开关电容器和交叉耦合电感。输出给阻性负载。参数如表1所示。

图5为交错升压变换器输出电压波形，电压波形在344V左右。

图6为交错升压的输出电压纹波波形，纹波为0.0011V。

高增益交错变换器电感电流波形如图7所示，为0.07A。高增益交错升压变换器与常规IBC的纹波含量比较如表2所示

研究发现，高增益交错变换器的纹波含量比传统的IBC低得多。对所提出的IBC进行了功率损耗分析，包括开关损耗、导通损耗和电感损耗[7-9]。计算了所提出的转换电路的效率，并从效率曲线中找出了最大效率。高增益IBC不同功率损耗的详细数值见表4.6。交叉转换器相对于开关、二极管和电感的总功率损耗约为76 W。

将所提出变换器的MOSFET、二极管和主电感的计算功率损耗与传统交错变换器的功率损耗进行了比较。结果表明，与传统的交错变换器相比，该变换器降低了功率损耗。本文提出的变换器在不同负载下的效率如图8所示。基于功率损耗分析，可以推断，通过输入电流的分布，使用开关电容器的交错变换器可以使传导损耗最小化。由于采用了快速恢复二极管，反向恢复损耗为零。转换器的总计算功率损耗估计为76W。由此可见，所提出的转换器具有较高的效率。在输入电压为20.83V时，效率最高可达98.6%。通过将低电压燃料电池与高增益交错变换器连接，可以提高燃料电池的效率。

五、实验结果

实验部分主要由电源电路、门控电路和转换电路组成。4N35光耦合器的电源使用12V, 500 mA变压器，桥式整流器和12V调节器。由PIC控制器18F4550产生的门控脉冲作为光耦的输入。四个mosfet IRFP460用作开关。采用3个15 μH的交叉耦合电感。采用两个2.2 μF的开关电容来提高电压增益。两个快速恢复二极管FR107用于减少反向恢复损失。输出电压通过电阻负载10 Ω。PIC电路触发IBC开关产生的脉冲如图7所示。

对于7V的输入，提出的高增益IBC可获得23.72V的输出。高增益交错变换器具有较低的输出电压纹波和电感电流纹波。它是一个更好的拓扑接口与燃料电池系统。此外，该变换器中主要器件的功率损耗比传统变换器的功率损耗要小。

结论

高增益交错变换器与燃料电池系统接口具有较低的输出电压纹波和电感电流纹波。此外，该变换器中主要器件的功率损耗比传统变换器的功率损耗要小。因此，采用这种配置可以获得最大的效率。对所提出的转换器进行了硬件实现，并对结果进行了验证。因此，高增益交错升压变换器是燃料电池应用的合适选择。

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