燃料电池DC-DC变换器的研究与设计——硕士论文

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1、燃料电池DC/DC变换器的研究与设计武汉理工大学（申请工学硕士学位论文）燃料电池DC-DC变换器的研究与设计培养单位：自动化学院学科专业：控制科学与工程研究生：指导老师：年月II摘要在新能源的开发和利用中，燃料电池因其具备高工作效率和高功率密度，对环境不造成污染，应用也不受地域限制等诸多优点而得到广泛关注。但是燃料电池呈现出偏软的外特性，单体电池的输出电压仅在1V左右，而且受负载影响其动态特性很差，通常需要在其输出端加入一级DC/DC变换器改善工作性能。在交直流微电网的应用领域下，燃料电池DC/DC变换器则必须具备宽

2、输入电压范围、大升压变比、高效率以及电气隔离的特点。针对以上功能要求，本文具体设计了一台用于交直流微电网系统的3kW燃料电池DC/DC变换器样机，在此基础上对其工作特性展开研究。本文主要工作内容如下：首先明确3kW燃料电池DC/DC变换器的设计指标与要求，提出三种可适用的拓扑设计方案，经比较最终选定隔离升压全桥变换器即IBFBC的拓扑结构，进而分析了IBFBC电路的稳态工作机理。分别对IBFBC工作中存在的启动问题、变压器漏感问题以及升压电感磁复位问题展开研究，分析其成因并对解决方案进行比较分析。综合各方面确定采用带

3、有源钳位的IBFBC主电路架构设计。在主电路架构设计的基础上，根据指标要求对IBFBC的主电路中的功率MOS管和整流二极管进行选型设计，详细计算了高频变压器、升压电感以及其他无源功率器件的参数。进而设计了以DSP28335为主控芯片的数字控制器的硬件电路，具体设计了PWM驱动电路、AD转换电路和通讯电路等，并详细分析了各电路的设计原理及参数选择依据。在建立起IBFBC的状态空间平均模型和交流小信号模型基础上，借助于Matlab/Simulink仿真工具，从控制理论角度研究了IBFBC的动、静态特征，并采用PID校正控

4、制改善系统性能。运用Saber仿真则验证了所设计的软启动控制算法的可行性和可操作性。进而进行了数字控制器的软件总体方案设计，分别对主程序、PWM、ADC进行软件设计。最终完成3kW燃料电池DC/DC变换器样机的搭建，并进行测试。实验结果表明，带有源钳位的IBFBC设计方案在理论与实践上都具有可行性，并且能够满足交直流微电网对燃料电池DC/DC变换器宽输入、大升压、高效隔离的性能要求。关键词：燃料电池，宽输入，大升压，隔离升压全桥变换器，DSPIIIIIAbstractIntheExploitation and Usi

5、ng of New-energy，Fuelcellhavebeenwidespreadconcernedbecauseofitshighefficiency,lowenvironmentalimpactandscalability.However,fuelcellhasitsowndefecttoovercome,suchaslowoutputvoltage,baddynamic characteristicsandsoftoutputcharacteristics.ADC/DCconverterisusuallya

6、ddedtoimprovefuelcell’sperformance.Appliedtothehybridac/dcmicrogrid,fuelcellDC/DCconvertershouldhavetheabilitytoacceptwideinput,getlargestepupratioandhighefficiency.Electric isolationalsoneedstobeconsidered.Thisdissertationmainlystudiesanddesignsa3kWfuelcellDCD

7、Cconverterbasedonabove requests.Themaincontentsofthisdissertationareasfollows:Giventhedesignparameterof3kWfuelcellDC/DCconverter,threeapplicableconvertersarecomparedandIBFBCischosenasthebasicmaincircuit.Itsworkingprincipleisanalyzedandthestart-upproblem,theleak

8、ageinductanceoftheisolatedtransformerandmagneticresetoftheinputinductorarediscussedrespectively.Eventually,3kWIBFBCisimprovedbyactiveclamptechnique.Accordingtothespecific re