1. 研究目的与意义（文献综述）

1.目的及意义

1.1研究背景

人类社会的进步往往伴随着能源的替代，在过去几个世纪里，人类所利用的是煤炭、石油和天然气等化石能源。随着全球经济发展、人口的增长，未来的能源消费量将持续增长，不可再生能源可利用量总有一天将迗到极限。同时，传统化石能源的过度使用，导致空气污染、水污染等各种环境污染。化石能源作为不可再生能源越来越稀缺，其资源的争取往往引发区域的不稳定甚至战争。传统的核电发电存在一定程度的不安全性，地震海喷等自然灾害更加增加了不安全性的风险。因此在全球能源危机和环境保护的前提下，人们越来越重视新能源的发展。因此，燃料电池发电作为未来清洁、绿色、高效的可再生能源发电方式之一，备受人们的关注与重视。其高效率、高功率密度、低噪音、环保、配置灵活的特点，适用于分布式发电领域，使得燃料电池广泛用于航空航天、交通运输、通信、国防等各种场合。

1.2研究意义

在实际工程应用中，燃料电池有着不同的电压及功率，而负载的工作电压往往各不相同，所以需要电力电子装置进行电压整合，匹配负载与发电端的电压。另外，由于燃料电池中燃料和空气供给的扰动会带来燃料电池输出电压的波动和变化，达不到供电质量指标，这也需要电力电子装置进行稳压。故而，有了燃料dc/dc变换装置的出现。

1.3燃料电池dc/dc变换器的发展现状

燃料电池dc/dc变换器作为连接燃料电池发电系统与负载之间的纽带，其性能的优劣一方面取决于拓扑硬件设计，另一方面其控制算法的可靠性也至关重要。为实现稳压输出以及优良的动态性能，需要构成闭环反馈控制系统。

2. 研究的基本内容与方案

2.研究基本内容及目标

燃料电池的输出电压变化范围很宽，且低于一般负载的工作电压。因此需要通过DC/DC变换器提升燃料电池电压至所需的稳定的直流电压，再经过各级DC/DC转换成各种类型负载的工作电压。系统的DC/DC变换器需要具有以下的功能：①提升电压等级功能；②在较宽的输入电压范围下有稳定的电压；③高的电能转换效率。

本毕业设计要求设计一个50kW车用燃料电池升压DCDC变换器，燃料电池侧：输入直流电压200-300V，直流母线侧：输出450-650V可调，实现恒流、恒压和恒功率输出功能，额定功率50kW。其主要内容包括：①系统总体方案设计，包括功能需求，多相移相并联主电路拓扑结构设计；②开展MCU控制电路硬件设计；③功率驱动电路设计；④电压、电流和温度采集处理电路设计；⑤CAN通信电路设计。

2.1主电路选择

DC/DC变换器主电路按拓扑类型主要分为隔离型与非隔离型。其中非隔离型直流-直流变换电路又称为直流斩波电路，本毕业设计可以选择升压Boost电路以及多重多相斩波电路；隔离型电路主要有全桥、半桥、正激、反激及推挽电路等，其主要结构是在非隔离电路里加入了高频变压器，形成直流-交流-直流的电能变换。

2.1.1非隔离型电路

⑴升压斩波电路

升压斩波电路的原理图如图2-1所示

电路原理：

假设电感值以及电容值均很大，当可控开关管V处于通态时，电源向电感充电，充电电流基本恒定为，同时电容上的电压向负载供电。由于电容值很大，基本保持输出电压为恒值。设V处于通态的时间为,此阶段电感上积蓄的能量为。当V处于断态时，电源和电感共同向电容充电并向负载提供能量。设V处于断态的时间为，则在此期间电感释放的能量为。当电路工作于稳态时，一个周期T内电感积蓄的能量与释放的能量相等。升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一时电感储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容能将输出电压保持住。但实际上电容不可能无限大，故实际输出电压会略低于计算结果。

⑵多重多相斩波电路

多重多相斩波电路是在负载和电源之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成的，一个周期中电源侧的电流脉波数称为斩波电路的相数，负载电流脉波数称为斩波电路的重数。图2-2所示为三相三重降压斩波电路。

三相三重斩波电路工作原理如下：当三极管VT1基极的控制脉冲Ub1为高电平时，VT1导通，电源E通过VT1加到L1的一端，L1左端的电压记为U1，有电流I1经L1流过电动机；当控制脉冲Ub1为低电平时，VT1关断，流过L1的电流突然变小，L1马上产生左负右正的电动势，该电动势产生电流I1通过VD1构成回路继续流过电动机。

一个周期内I1有上升和下降的脉动过程，起伏波动较大。同样地，当三极管VT2基极加有控制脉冲Ub2时，在L2左端电压记为U2，流过L2的电流为I2；当三极管VT3基极加有控制脉冲Ub3时，在L3左端电压记为U3，流过L3的电流为I3。

当3个斩波电路都工作时，流过电动机的总电流I0=I1 I2 I3。总电流I0的脉冲频率是单相电流脉动频率的3倍，但脉冲幅度明显变小，即三相三重斩波电路提供给电动机的电流波动更小，使电动机工作更稳定。另外，多相多重斩波电路还具有备用功能，当某一个斩波电路出现故障时，可以依靠其他的斩波电路继续工作。

2.1.2隔离型电路

同直流斩波电路相比，电路中增加了交流环节，因此也称为直流-交流-直流电路。采用这种结构较为复杂的电路来完成直流—直流的变换有以下原因 ：①输出端与输入端需要隔离。 ②某些应用中需要相互隔离的多路输出。 ③输出电压与输入电压的比例远小于1或远大于1。④交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重量。

间接直流变流电路分为单端(Single End)和双端(Double End)电路两大类，在单端电路中，变压器中流过的是直流脉动电流，而双端电路中，变压器中的电流为正负对称的交流电流，正激电路和反激电路属于单端电路，半桥、全桥和推挽电路属于双端电路。

⑴全桥电路

其电路原理图如图2-3所示。

电路原理：

输入直流母线电压，经过直流滤波电路，滤除交流部分；然后进入逆变电路被开关管斩成交流方波；再进入高频变压器，由高电压变成低电压；之后进入由四个全控器件IGBT形成的全控整流电路，将交流整为直流；最后直流信号再次进入滤波电路，输出稳定的直流电压。

全桥电路的逆变电路由四个开关组成，互为对角的两个开关同时导通，而同一侧半桥上下两开关交替导通，将直流电压逆变成幅值为Ui的交流电压，加在变压器一次侧。改变开关管Q1~Q4的占空比，就可以改变整流电压的平均值，也就改变了输出电压Uo的大小。

经过与高频调制不控整流电路比较，我们发现电路原理基本一致，只是在整流环节，原来的不控器件二极管换成了全控器件IGBT,又一次通过PWM脉冲调制，调节信号的占空比，从而控制整流环节中开关器件IGBT的导通时间，进一步调节输出电压的大小，形成可控整流。

⑵推挽Boost电路

推挽Boost型DC/DC变换器是采用Boost先进行第一级升压，再通过变压器进行第二级升压来实现能量转换。如图2-4所示，采用两个独立的变压器对燃料电池电压进行升压。并且采用移相控制，为其他开关管的关断或开通创造零损耗的开关条件，可获得较高的功率密度和能量转换效率。推挽DC/DC变换器可以等效为如图所示结构，将燃料电池电压通过Boost进行第一级升压，再通过高频变压器进行第二级升压，从而起到通过Boost升压电路先将燃料电池电压升至通用的输入电压，再供高频变压器进行升压的作用。

隔离变压器副边匝数与原边匝数比为，其中变压器原边匝数，变压器副边匝数为，即。和为变压器一次侧的开关管，变压器二次侧整流桥由和二极管组成，为输入滤波电感，为输入滤波电容，为输出滤波电容。两个隔离变压器完全相同，对该DC/DC变换器采用移相控制的方法调节输出电压，和的导通时序一致，和的导通时序一致，且和互补导通，并加入一定的驱动重叠时间保证换流完成。

2.1.3方案比较

非隔离型电路结构简单并处于高频开关工作状态，故其有转换效率高、体积比较小、成本比较低等优点，但是电路抗干扰能力较差、安全性较低以及电源异常后对负载的损害较大，不符合设计要求，因此不采用非隔离型开关电源设计。隔离型开关电源设计难度较大，采用了高频变压器以及较多电气元器件，导致成本较贵、转换效率较低等，但是由于电源的输入回路和输出回路之间没有直接的电气连接，输入和输出之间是绝缘的高阻态，没有电流回路，这种开关电源的抗干扰能力强、安全性较高、电源异常后对负载的损害较小，优点较多。

综合比较，在保证转换器输出电压稳定、对负载不造成损害的前提下，我们采用非隔离型多重多相斩波电路电路设计。

2.2控制电路选择

PI调节器是电力拖动自动控制系统中最常用的一种控制器，在微机数字控制系统中，当采用频率足够高时，可以先按模拟系统的设计方法设计调节器，然后再离散化，得到数字控制器的算法，这就是，模拟调节器的数字化。数字式PI调节器有位置式和增量式两种算法，式（1-3）表述的差分方程为位置式算法，为第k拍的输出值。由等号右侧可以看出，比例部分只与当前的偏差有关，而积分部分则是系统过去所有偏差的积累。由于增量式PI调节器算法只需要输出限幅，而位置式算法必须同时设积分限幅和输出限幅，缺一不可。因此，本文采取增量式PI调节器。

3. 研究计划与安排

第1周 撰写并完成开题报告，无错字、别字，格式规范；

第2周 修改、完善开题报告，进行开题答辩，主要对研究意义（1-3句话）、目标（1-3句话）、内容（1-3句话）、技术路线，重点就技术路线中主电路框图、控制电路框图进行讲解；

第3周 撰写毕业设计论文目录，需要获得指导老师认可；

4. 参考文献（12篇以上）

4.参考文献

[1] 沈烨烨. 燃料电池dc-dc变换器建模与控制[d]. 浙江大学, 2014.

[2] 王水平，王聪等.mosfet/igbt驱动集成电路及应用[m].北京：人民邮电出版社，2009.10

[3] 范新权. 数字控制双向全桥dc/dc变换器分析设计[j]. 电力电子技术, 2014,48(5):71-73.