通訊基站大功率PEMFC 備用電源DC/DC 變換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

古云蛟，朱新堅(jiān)，邵 孟，曹弘飛

0 引言

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種極具應(yīng)用前景的電化學(xué)發(fā)電裝置，可廣泛運(yùn)用于汽車動(dòng)力、分布式發(fā)電、應(yīng)急備用電源等領(lǐng)域。在過(guò)去的十幾年當(dāng)中，世界各國(guó)的科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)都紛紛投入大量資金與精力用于PEMFC的研發(fā)，與此同時(shí)PEMFC 在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，被認(rèn)為是最適合作為汽車動(dòng)力和分布式發(fā)電的電源[1]。近年來(lái)，在通信基站中采用PEMFC 作為備用電源也越來(lái)越普及，通信基站中采用PEMFC 作為備用電源相對(duì)于傳統(tǒng)備用電源具有可靠性高、維護(hù)成本低、使用壽命長(zhǎng)、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[2]。

PEMFC 具有：1)功率密度與能量轉(zhuǎn)換效率高；2)運(yùn)行溫度較低(50℃～80℃)；3)啟動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但由于負(fù)載和氣體流量等因素的變化導(dǎo)致PEMFC的輸出電壓具有不穩(wěn)定性與多變性[3]，使得PEMFC 在實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須使用DC/DC變換器進(jìn)行穩(wěn)壓控制。目前燃料電池汽車中大多采用雙向DC/DC 變換器，以實(shí)現(xiàn)電池低壓輸出和高壓直流母線之間的能量轉(zhuǎn)換，同時(shí)匹配不同工況下燃料電池汽車的能量輸出與回收。在分布式發(fā)電中則大多采用升壓隔離型DC/DC 變換器，先對(duì)燃料電池輸出進(jìn)行升壓，再通過(guò)逆變器進(jìn)行逆變并網(wǎng)[4]。然而，針對(duì)通信基站中大功率PEMFC 備用電源DC/DC 變換器的研究[5]，在目前尚處于起步階段。由于通信備用電源對(duì)電壓的穩(wěn)定性要求較高，因此，采用PEMFC 作為通信基站的備用電源時(shí)，不僅要優(yōu)化PEMFC的性能，還要合理設(shè)計(jì)相應(yīng)的DC/DC 變換器。本文針對(duì)某通信基站備用電源采用7KW PEMFC，給出了一個(gè)DC/DC 變換器的完整設(shè)計(jì)方案。

1 DC/DC 變換器主電路拓?fù)浼捌涔ぷ髟?/h2>

針對(duì)本設(shè)計(jì)中的7KW PEMFC 低電壓大電流的輸出特性，其電氣輸出特性曲線，如圖1所示：

圖1 7KW PEMFC的電氣輸出特性

采用同步BUCK 變換器作為主電路拓?fù)洹Ｍ紹UCK變換器因具有效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，在通信、IT、航天以及其它工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[6]。同步BUCK變換器在實(shí)質(zhì)上與普通的BUCK降壓變換器相同，僅在原BUCK 電路的基礎(chǔ)上將原先的續(xù)流二極管替換為一個(gè)可控的功率開(kāi)關(guān)管，同步BUCK 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示：

圖2 同步BUCK 降壓DC/DC 變換器

其工作原理為：同步BUCK 變換器的開(kāi)關(guān)管Q1 不斷導(dǎo)通關(guān)閉，交替給電感L 充電，當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1 關(guān)斷時(shí)，開(kāi)關(guān)管Q2 就導(dǎo)通，來(lái)為電感續(xù)流[7]。盡管采用功率開(kāi)關(guān)管代替續(xù)流二極管使得控制電路設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，但功率開(kāi)關(guān)管的快速的導(dǎo)通響應(yīng)以及較低的導(dǎo)通電阻，使得變換器的轉(zhuǎn)換效率大大提高，而且特別適合低電壓大電流的用電場(chǎng)合[8]。如圖3所示：

圖3 同步BUCK 變換器連續(xù)導(dǎo)通模式波形

為同步BUCK 變換器電感電流連續(xù)導(dǎo)通模式下各器件的電壓電流波形，其穩(wěn)態(tài)工作過(guò)程分析[8]如下：

（1）當(dāng)Q1 導(dǎo)通Q2 關(guān)斷時(shí)，即在0＜t≤DT 期間，輸入電源Uin不斷給電感L 充電，此時(shí)變換器主回路根據(jù)基爾霍夫電壓定律滿足，公式（1）：

（2）當(dāng)Q1 關(guān)斷Q2 導(dǎo)通時(shí)，即在DT ＜ t ≤T 期間時(shí)，由電感L 向輸出不斷放電，此時(shí)變換器由基爾霍夫電壓定律可知公式（2）

其中，T 是開(kāi)關(guān)管Q1的工作周期，D 是開(kāi)關(guān)管Q1 導(dǎo)通的占空比。由于電感L 是儲(chǔ)能元件，在同步BUCK 變換器穩(wěn)態(tài)工作條件下，一個(gè)工作周期T 內(nèi)，電感L的充電量應(yīng)等于放電量，即有公式（3）

故有公式（4）

式（4）表明，同步BUCK 變換器的輸入輸出電壓之間只與占空比D 有關(guān)，因此只要不斷合理調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管Q1的占空比D的大小，就能使得輸出電壓穩(wěn)定在需要的設(shè)定值，占空比D 在0 到1 之間變化。

2 DC/DC 變換器控制單元和輔助單元設(shè)計(jì)

同步BUCK 電路是DC/DC 變換器的主電路，除此之外DC/DC 變換器還包括控制單元和輔助單元電路，其性能直接影響同步BUCK 電路的工作質(zhì)量和整機(jī)的正常運(yùn)行。控制單元和輔助單元電路與同步BUCK 電路共同構(gòu)成DC/DC變換器的總體硬件電路。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖4所示：

圖4 DC/DC 變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 控制單元

控制單元選用TMS320LF2407 DSP[9]-[11]，它內(nèi)部包含兩個(gè)EV 模塊EVA 和EVB，均有兩個(gè)16 位通用定時(shí)器，8個(gè)16 位脈寬調(diào)制（PWM）通道，能夠輕易的實(shí)現(xiàn)多路PWM控制波形的對(duì)稱或非對(duì)稱輸出，以及快速的PWM 通道關(guān)閉（當(dāng)外部引腳PDPINTx 出現(xiàn)低電平時(shí)）。另外它具有16 通道的A/D 轉(zhuǎn)換器，并且轉(zhuǎn)換器精度達(dá)到10 位，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns，可分別由兩個(gè)EV 來(lái)觸發(fā)。控制單元通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器采集DC/DC 變換器高低端電流電壓值，經(jīng)過(guò)DSP 實(shí)現(xiàn)電流電壓雙閉環(huán)增量式PI 控制算法，控制EV 產(chǎn)生相應(yīng)的PWM 控制信號(hào)。控制單元利用TMS320LF2407 DSP 包含的串行通信接口SCI 模塊與上位機(jī)產(chǎn)實(shí)現(xiàn)RS232 串行通信，并實(shí)時(shí)檢測(cè)變換器溫度，控制散熱風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)，保障變換器正常工作。

2.2 DC/DC 變換器電流電壓檢測(cè)傳感器

要實(shí)現(xiàn)DC/DC 變換器輸出穩(wěn)壓控制，就需要采集輸出端的電壓電流值作為反饋控制信號(hào)，同樣要實(shí)現(xiàn)輸入端的過(guò)欠壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)，也需要采集輸入端的電流電壓信號(hào)。本設(shè)計(jì)中，輸入端和輸出端的電壓和電流采樣分別用傳感器LV25-P 和LT308-S7，LV25-P 連接示意圖，如圖5所示：

圖5 LV25-P 連接示意圖

可用以檢測(cè)500V 以下的直流電壓、交流電壓以及脈沖電壓，LT308-S7 連接示意圖，如圖6所示：

圖6 LT308-S7 連接示意圖

其原邊額定有效電流為 300A，電流測(cè)量范圍為0～ 500A。這兩種傳感器供電電壓均在 12V 到 15V 之間，且都具有準(zhǔn)確的精度和良好的線性度以及快速的響應(yīng)能力和抗干擾能力，能很好地滿足系統(tǒng)要求[12][13]。

2.3 IGBT 門極驅(qū)動(dòng)電路

根據(jù)該 7KW PEMFC的輸出特性，本設(shè)計(jì)選用FF450R12KT4 型號(hào)的IGBT 模塊作為同步BUCK 變換器的開(kāi)關(guān)管，它可承受的電流電壓可達(dá)到450A/1200V[14]。由于它所需要的瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)電流較大，為了保證IGBT的驅(qū)動(dòng)的可靠性和安全性，本設(shè)計(jì)中采用了雙重 SCALE 驅(qū)動(dòng)器2SD315A。2SD315A 能輸出很大的峰值電流，具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力和很高的隔離電壓能力，它有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輸出通道，適合驅(qū)動(dòng)1200V 或1700V 等級(jí)的兩個(gè)單管或一個(gè)半橋式的雙單元IGBT 模塊[15][16]。因此，2SD315A 非常適合作為FF450R12KT4的驅(qū)動(dòng)單元，2SD315A 半橋驅(qū)動(dòng)電路，如圖7所示：

圖7 2SD315A 半橋驅(qū)動(dòng)電路

其中INA 為PWM 輸入信號(hào)，INB 為使能信號(hào)，高電平有效，SO 為輸出狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)。另外，2SD315A 驅(qū)動(dòng)模塊還具有過(guò)流和短路保護(hù)功能，能夠很好實(shí)現(xiàn)同步BUCK變換器的電壓變換功能。

2.4 溫度傳感器

對(duì)于 7KW 功率級(jí)的大電流DC/DC 變換器，散熱是重要的性能指標(biāo)之一，因此要為DC/DC 變換器設(shè)置溫度傳感器，來(lái)檢測(cè)溫度變化；一方面為散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速大小的控制依據(jù)，另一方面當(dāng)散熱系統(tǒng)不足以滿足散熱要求時(shí)作為過(guò)溫保護(hù)的觸發(fā)信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，其溫度檢測(cè)范圍為-55℃～+125℃，精度可以達(dá)到±0.5℃，不需要A/D 轉(zhuǎn)換，直接將溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并使用單線串行通信方式與主控芯片交換數(shù)據(jù)[17]。DS18B20與主控芯片DSP 接線原理圖，如圖8所示：

圖8 DS18B20 連接示意圖

2.5 RS232 串口通信電路

TMS320LF2407 DSP 內(nèi)部具有兩個(gè)相同的SCI 模塊，SCIA 和SCIB。SCI 模塊的接收器和發(fā)送器都帶有16 級(jí)深度的FIFO，并且接收器和發(fā)送器都具有獨(dú)立的使能和中斷位，可以在半雙工模式下獨(dú)立操作，也可以在全雙工模式下同時(shí)操作。基于DSP 兩個(gè)SCI 模塊設(shè)計(jì)通信RS232 串口，選用MAX3232 芯片[18]，利用雙電荷泵實(shí)現(xiàn)3V～5.5V電壓供電時(shí)，轉(zhuǎn)換到+5.5V（倍壓電荷泵）和-5.5V（反相電荷泵）輸出電壓，可以保證數(shù)據(jù)傳輸速率至少在120kbps，其具體設(shè)計(jì)電路，如圖9所示：

圖9 RS232 串口電路

3 DC/DC 變換器控制軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)方案中軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境為CCS（Code Composer Studio），它是TI 公司專門為DSP 軟件開(kāi)發(fā)應(yīng)用設(shè)計(jì)的集編譯、仿真、下載為一體的DSP 開(kāi)發(fā)軟件，基于CCS 可以通過(guò)編程對(duì)DSP 內(nèi)設(shè)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。基于DSP實(shí)現(xiàn)同步BUCK 變換器的實(shí)時(shí)控制軟件程序主要包括兩個(gè)方面，其一就是實(shí)現(xiàn)變換器輸出電壓的穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，其二就是實(shí)現(xiàn)變換器工作過(guò)程中的過(guò)欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)等功能。控制軟件的流程圖，如圖10所示：

圖10 控制軟件流程圖

4 DC/DC 變換器性能測(cè)試

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的DC/DC 變換器的性能，我們研制了一臺(tái)DC/DC 變換器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，如圖11所示：

圖11 DC/DC 變換器樣機(jī)

電路主要參數(shù)為：輸出電感 L=0.5mH；輸出電容C=65uF；測(cè)試輸入電壓Uin=43V～110V；開(kāi)關(guān)頻率fs=20KHz；功率開(kāi)關(guān)管選用英飛凌FF450R12KT4 型號(hào)的雙IGBT 模塊，PWM 驅(qū)動(dòng)電壓為±15V，驅(qū)動(dòng)電路輸出的PWM 控制波形，如圖12所示：

圖12 PWM 控制信號(hào)電壓波形

為DC/DC變換器的輸出電壓電流的波形，如圖13所示：

圖13 輸出電壓電流波形

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于同步BUCK 變換器拓?fù)湓O(shè)計(jì)了某通訊基站7KW PMMFC 備用電源的 DC/DC 變換器，采用TMS320LF2407 DSP 作為主控芯片，運(yùn)用電壓電流雙閉環(huán)增量式PI 控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)DC/DC 轉(zhuǎn)換器的全數(shù)字閉環(huán)控制，并且使得該DC/DC 變換器具有過(guò)欠壓保護(hù)、限流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)等功能。通過(guò)對(duì)相關(guān)元器件的合理設(shè)計(jì)與選型，最終針對(duì)該7KW PEMFC 制成了DC/DC 變換器的樣機(jī)，然后對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的DC/DC 轉(zhuǎn)換器能夠很好的適應(yīng)該7KW PEMFC的大電流輸出特性，并實(shí)現(xiàn)PEMFC的輸出電壓的調(diào)節(jié)功能，對(duì)于不同的輸入電壓變化都能保持輸出電壓的穩(wěn)定，為通訊基站大功率PEMFC 備用電源用DC/DC 變換器的設(shè)計(jì)提供了一種實(shí)際可用的方案，同時(shí)也為進(jìn)一步研究各個(gè)功率級(jí)別的PEMFC的DC/DC 變換器積累了重要經(jīng)驗(yàn)。

[1]Jenn-Kun Kuo,Chi-Fa Wang.An integrated simulation model for PEM fuel cell power systems with a buck DC-DC converter.[C]International Journal of Hydrogen Energy36 (2011)11846-11855

[2]陳敬生，王興杰.燃料電池在通信行業(yè)大有可為.[J]華為技術(shù)，2011,12,第58 期37-38

[3]M.Harinee,V.S.Nagarajan,Dimple etc.Modeling and Design of Fuel Cell based Two Phase Interleaved Boost Converter.IEEE,[C]2011 1st International Conference on Electrical Energy Systems,72-77

[4]Beniamino Guida,Alberto Cavallo.Supervised Bidirectional DC/DC Converter for Intelligent Fuel Cell Vehicles Energy Management.Electric Vehicle Conference(IEVC),2012 [J]IEEE International,4-8 March 2012,pp 1-5

[5]Dmitri Vinnikov,Indrek Roasto.Quasi-Z-Source-Based Isolated DC/DC Converters for Distributed Power Generation.Industrial Electronics,[J]IEEE.Jan 2011,page 192-201

[6]陳亞愛(ài)，李衛(wèi)海等，同步BUCK 變換器控制技術(shù)綜述.[J]冶金電氣，2010 第29 卷第8 期

[7]Ahmad Saudi Samosir,Abdul Halim Mohd Yatim.Dynamic evolution control for synchronous buck DC-DC converter:Theory,model and simulation.[C]Simulation Modeling Practice and Theory 18(2010)663-676

[8]徐德鴻，馬皓等，電力電子技術(shù).[M]北京，科學(xué)出版社，2006，72-86

[9]TexasInstruments.TMS320LF2407A,[M]DSP controller.2002

[10]Texas Instruments.TMS320LF/LC240xA DSP controllers Reference Guide-system and Peripherals [M]SPRU357B.December,2001

[11]江思敏，TMS320LF240x DSP [J]硬件開(kāi)發(fā)教程，2003，6

[12]Voltage Transducer LV25-P Specification sheet,[C]LEM

[13]Current Transducer LT308-S7 Specification sheet,[C]LEM

[14]Infenion,FF450R12KT4 [M]Datasheet,2008

[15]CONCEPT,2SD315A:Dual SCALE Driver 2SD315A [M]for IGBTs and Power MOSFETs

[16]孫強(qiáng)，陶健，新型IGBT 集成驅(qū)動(dòng)模塊2SD315A 應(yīng)用研究.[J]現(xiàn)代電力,2003,7

[17]DALLAS Semiconductor,DS18B20 Programmable Resolution 1-Wire [C]Digital Thermometer

[18]DALLAS Semiconductor,[M]MAX3232 Data Sheet