高頻變壓器在PEMFC變換系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)研究

摘要：介紹PEMFC發(fā)電機(jī)的電能變換系統(tǒng)，探討一種應(yīng)用于該系統(tǒng)的5 kW高頻變壓器，根據(jù)已研制的PEMFC技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的高頻變壓器參數(shù)，最后對所設(shè)計(jì)的高頻變壓器給出了仿真和試驗(yàn)測試。結(jié)果證明所設(shè)計(jì)的高頻變壓器能夠使PEMFC發(fā)出的電特性獨(dú)特的幅值相對偏低的直流電壓提升到一個(gè)較高的需要值。
關(guān)鍵詞：PEMFC；高頻變壓器；電能變換系統(tǒng)；發(fā)電機(jī)

0 引言
    PEMFC氫能發(fā)電機(jī)因其能量轉(zhuǎn)換率高、潔凈無污染、噪音低、模塊化結(jié)構(gòu)和比功率高等優(yōu)點(diǎn)，在軍用和民用領(lǐng)域都具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
    由于PEMFC發(fā)電機(jī)發(fā)出的是一種電特性獨(dú)特、電壓相對偏低的直流電。其不僅動(dòng)態(tài)情況下輸出電壓變化劇烈，靜態(tài)情況下的負(fù)載電壓與空載電壓之間也存在很大的差異，在PEMFC電能變換系統(tǒng)中通常需要一個(gè)高頻變壓器將其輸出電壓提升和穩(wěn)定在一個(gè)所需要的電壓，以滿足后級的供電要求。

1 PEMFC發(fā)電機(jī)的輸出特性
    實(shí)驗(yàn)所得的PEMFC發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性曲線如圖1、圖2所示。

    從所測得的動(dòng)態(tài)電壓波形可以看出，負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，PEMFC發(fā)電機(jī)輸出電壓也隨之改變，增大負(fù)載時(shí)電壓先降低后升高且有波動(dòng)，減小負(fù)載時(shí)電壓升高的速度較快。這就要求在PEMFC發(fā)電系統(tǒng)中，需要一個(gè)前級DC／DC變換器將其輸出電壓提升和穩(wěn)定在一個(gè)所需要的電壓，以滿足后級單相逆變器的供電要求。[!--empirenews.page--]

2 PEMFC發(fā)電機(jī)DC／AC逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    本文設(shè)計(jì)的PEMFC發(fā)電機(jī)DC／AC逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，系統(tǒng)采用單向電壓源高頻環(huán)節(jié)逆變器技術(shù)，一個(gè)DC／DC變換器接到PEMFC發(fā)電機(jī)輸出側(cè)，用來提升和穩(wěn)定PEMFC發(fā)電機(jī)輸出電壓供給后級的單相逆變器供電，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高頻電氣隔離，本文主要進(jìn)行前級DC／DC變換器中的高頻變壓器研究。

3 高頻變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)
3．1 高頻變壓器的技術(shù)指標(biāo)
    根據(jù)已研制的5 kw PEMFC發(fā)電機(jī)的工作及其電氣特性要求，其技術(shù)指標(biāo)如下：
    (1)輸入電壓：DC 50～90V；
    (2)工作頻率：20kHz；
    (3)輸出電壓：DC 380V；
    (4)輸入／輸出通過高頻變壓器隔離，變壓器效率為95％；
    (5)最大輸出功率：5kW。
3．2 高頻變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)
    對于高頻變壓器設(shè)計(jì)，常用的有兩種方法：第一種是先求出磁芯窗口面積Aw和磁芯有效截面積Ac的乘積AP(AP=Aw×Ac，稱為磁芯面積乘積)。根據(jù)AP值，查表找出所需磁性材料的編號，稱為AP法；第二種是先求出幾何參數(shù)，查表找出磁芯編號，再進(jìn)行設(shè)計(jì)，稱為KG法。本文采用AP法，設(shè)計(jì)鐵氧體磁芯高頻變壓器的步驟如下：
    (1)輸入電壓幅值。忽略開關(guān)管導(dǎo)通壓降+線路壓降有：
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    (7)選擇最佳工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bw，取最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm=0．16 T；由于變換器結(jié)構(gòu)為全橋型，故選工作磁感應(yīng)強(qiáng)度峰峰值Bw=2Bm=0．32 T。
    (8)電流密度系數(shù)Kj的確定通過查表可得，在磁芯種類為金屬疊片鐵心，溫升為50IC時(shí)，Kj=534，X=-0．12。
    (9)計(jì)算AcAw的值，取窗口的占空系數(shù)Kw=0．4，Kf=4．0(方波)：

    (13)計(jì)算次級繞組匝數(shù)每匝電壓系數(shù)為50／5=10，次級的輸出電壓為380 V，變壓器次級繞組電壓應(yīng)為380／(0．4×2)=475 V，二極管電壓很小可以忽略，這時(shí)次級繞組應(yīng)為N2=475／10=47．5，取整數(shù)48匝。
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3 高頻變壓器的仿真研究
    利用Matlab軟件的Simtdink平臺(tái)，依據(jù)圖3建立相應(yīng)的仿真電路，對設(shè)計(jì)的高頻變壓器進(jìn)行仿真研究。輸入電源為實(shí)驗(yàn)室建立的PEMFC發(fā)電機(jī)模型，高頻逆變橋采用四個(gè)IGBT／Diodes搭接而成，并采用默認(rèn)參數(shù)；高頻整流橋采用Diodes結(jié)構(gòu)，并采用默認(rèn)參數(shù)；高頻變壓器參數(shù)按照第4．2節(jié)設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)置。圖4給出了高頻變壓器初次級電壓、DC／DC變換器輸出電壓的仿真結(jié)果。從波形圖4(a)和(b)可以看出，高頻變壓器初次級電壓均能達(dá)到要求，但電壓波形的毛刺較大，產(chǎn)生了振蕩。從波形圖4(c)和(d)可以看出，DC／DC變換器輸出電壓在突加負(fù)載時(shí)略有跌落，突減負(fù)載時(shí)略有上升，但一個(gè)周期后即可回復(fù)到正常狀態(tài)。

4 高頻變壓器的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    DC／DC變換器后帶3 kW負(fù)載，圖5為帶載時(shí)高頻變壓器初級側(cè)電壓波形和次級側(cè)電壓波形。對于圖5(a)，示波器為衰減2倍檔，縱坐標(biāo)電壓每小格為4 V，橫坐標(biāo)每小格為25μs，經(jīng)測量其正方向幅值約為49 V，其負(fù)方向44 V；對于圖5(b)次級側(cè)電壓波形，示波器為衰減10倍檔，縱坐標(biāo)電壓每小格為50 V，橫坐標(biāo)每小格為25μs，經(jīng)測量其正方向幅值約為450 V，其負(fù)方向400V。經(jīng)測量，帶載時(shí)的實(shí)際次初級匝數(shù)比為9．14，與所設(shè)計(jì)的匝數(shù)比48／5相比略有減小，這是由于帶載后電路中有電流流過，使高頻變壓器產(chǎn)生損耗，實(shí)際升壓能力降低。這說明所設(shè)計(jì)高頻變壓器帶載時(shí)能將PEMFC發(fā)出幅值偏低的直流電壓提升到較高的值。

5 結(jié)語
    本文設(shè)計(jì)了一個(gè)應(yīng)用于PEMFC發(fā)電機(jī)的5 kW高頻變壓器，設(shè)計(jì)了高頻變壓器參數(shù)，并通過仿真對所設(shè)計(jì)的高頻變壓器進(jìn)行了論證，最后在已研制的5 kW PEMFC發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了試驗(yàn)研究，所設(shè)計(jì)的高頻變壓器能夠使PEMFC發(fā)出的電特性獨(dú)特的幅值相對偏低的直流電壓提升到一個(gè)較高的需要值。