高频变压器在PEMFC变换系统中的设计研究

摘要：介绍PEMFC发电机的电能变换系统，探讨一种应用于该系统的5 kW高频变压器，根据已研制的PEMFC技术指标设计了相应的高频变压器参数，最后对所设计的高频变压器给出了仿真和试验测试。结果证明所设计的高频变压器能够使PEMFC发出的电特性独特的幅值相对偏低的直流电压提升到一个较高的需要值。
关键词：PEMFC；高频变压器；电能变换系统；发电机

0 引言
    PEMFC氢能发电机因其能量转换率高、洁净无污染、噪音低、模块化结构和比功率高等优点，在军用和民用领域都具有十分广阔的应用前景。
    由于PEMFC发电机发出的是一种电特性独特、电压相对偏低的直流电。其不仅动态情况下输出电压变化剧烈，静态情况下的负载电压与空载电压之间也存在很大的差异，在PEMFC电能变换系统中通常需要一个高频变压器将其输出电压提升和稳定在一个所需要的电压，以满足后级的供电要求。

1 PEMFC发电机的输出特性
    实验所得的PEMFC发电机动态特性曲线如图1、图2所示。

    从所测得的动态电压波形可以看出，负载发生变化时，PEMFC发电机输出电压也随之改变，增大负载时电压先降低后升高且有波动，减小负载时电压升高的速度较快。这就要求在PEMFC发电系统中，需要一个前级DC／DC变换器将其输出电压提升和稳定在一个所需要的电压，以满足后级单相逆变器的供电要求。[!--empirenews.page--]

2 PEMFC发电机DC／AC逆变系统结构
    本文设计的PEMFC发电机DC／AC逆变系统结构如图3所示，系统采用单向电压源高频环节逆变器技术，一个DC／DC变换器接到PEMFC发电机输出侧，用来提升和稳定PEMFC发电机输出电压供给后级的单相逆变器供电，同时实现高频电气隔离，本文主要进行前级DC／DC变换器中的高频变压器研究。

3 高频变压器的参数设计
3．1 高频变压器的技术指标
    根据已研制的5 kw PEMFC发电机的工作及其电气特性要求，其技术指标如下：
    (1)输入电压：DC 50～90V；
    (2)工作频率：20kHz；
    (3)输出电压：DC 380V；
    (4)输入／输出通过高频变压器隔离，变压器效率为95％；
    (5)最大输出功率：5kW。
3．2 高频变压器的参数设计
    对于高频变压器设计，常用的有两种方法：第一种是先求出磁芯窗口面积Aw和磁芯有效截面积Ac的乘积AP(AP=Aw×Ac，称为磁芯面积乘积)。根据AP值，查表找出所需磁性材料的编号，称为AP法；第二种是先求出几何参数，查表找出磁芯编号，再进行设计，称为KG法。本文采用AP法，设计铁氧体磁芯高频变压器的步骤如下：
    (1)输入电压幅值。忽略开关管导通压降+线路压降有：
 

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    (7)选择最佳工作磁感应强度Bw，取最大工作磁感应强度Bm=0．16 T；由于变换器结构为全桥型，故选工作磁感应强度峰峰值Bw=2Bm=0．32 T。
    (8)电流密度系数Kj的确定通过查表可得，在磁芯种类为金属叠片铁心，温升为50IC时，Kj=534，X=-0．12。
    (9)计算AcAw的值，取窗口的占空系数Kw=0．4，Kf=4．0(方波)：

    (13)计算次级绕组匝数每匝电压系数为50／5=10，次级的输出电压为380 V，变压器次级绕组电压应为380／(0．4×2)=475 V，二极管电压很小可以忽略，这时次级绕组应为N2=475／10=47．5，取整数48匝。

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3 高频变压器的仿真研究
    利用Matlab软件的Simtdink平台，依据图3建立相应的仿真电路，对设计的高频变压器进行仿真研究。输入电源为实验室建立的PEMFC发电机模型，高频逆变桥采用四个IGBT／Diodes搭接而成，并采用默认参数；高频整流桥采用Diodes结构，并采用默认参数；高频变压器参数按照第4．2节设计进行设置。图4给出了高频变压器初次级电压、DC／DC变换器输出电压的仿真结果。从波形图4(a)和(b)可以看出，高频变压器初次级电压均能达到要求，但电压波形的毛刺较大，产生了振荡。从波形图4(c)和(d)可以看出，DC／DC变换器输出电压在突加负载时略有跌落，突减负载时略有上升，但一个周期后即可回复到正常状态。

4 高频变压器的实验验证
    DC／DC变换器后带3 kW负载，图5为带载时高频变压器初级侧电压波形和次级侧电压波形。对于图5(a)，示波器为衰减2倍档，纵坐标电压每小格为4 V，横坐标每小格为25μs，经测量其正方向幅值约为49 V，其负方向44 V；对于图5(b)次级侧电压波形，示波器为衰减10倍档，纵坐标电压每小格为50 V，横坐标每小格为25μs，经测量其正方向幅值约为450 V，其负方向400V。经测量，带载时的实际次初级匝数比为9．14，与所设计的匝数比48／5相比略有减小，这是由于带载后电路中有电流流过，使高频变压器产生损耗，实际升压能力降低。这说明所设计高频变压器带载时能将PEMFC发出幅值偏低的直流电压提升到较高的值。

5 结语
    本文设计了一个应用于PEMFC发电机的5 kW高频变压器，设计了高频变压器参数，并通过仿真对所设计的高频变压器进行了论证，最后在已研制的5 kW PEMFC发电机的基础上进行了试验研究，所设计的高频变压器能够使PEMFC发出的电特性独特的幅值相对偏低的直流电压提升到一个较高的需要值。