專利名稱：一種燃料電池并網(wǎng)逆變器的前級dc/dc變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種燃料電池的并網(wǎng)逆變器，特別涉及一種燃料電池并網(wǎng)
逆變器中的前級DC/DC變換器。
技術(shù)背景
燃料電池高效、環(huán)境友好，是一種綠色能源，可同時解決節(jié)能和環(huán)保兩大 世界難題，被譽(yù)為是一種繼水電、火電、核電之后的第四代發(fā)電技術(shù)。燃料電 池并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的作用是將燃料電池產(chǎn)生的直流電壓通過變換調(diào)整得到和電網(wǎng) 電壓頻率相同的交流電，在為本地負(fù)載提供交流電能的同時將電能送入電網(wǎng)。
燃料電池并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)按照功率變換級數(shù)分為單級發(fā)電系統(tǒng)和多級發(fā)電系 統(tǒng)，單級發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)存在許多問題，如隔離需工頻變壓器，系統(tǒng)笨重，效 率低，輸入電壓變化范圍大，逆變器設(shè)計復(fù)雜等；現(xiàn)有的燃料電池并網(wǎng)發(fā)電系 統(tǒng)都采用多級發(fā)電系統(tǒng)，其中最為常見的設(shè)計為DC/DC+DC/AC的兩級式變換 器結(jié)構(gòu)，采用前級隔離，實現(xiàn)燃料電池的并網(wǎng)發(fā)電。
其中，DC/DC變換器用于將燃料電池輸出的變化范圍大的低電壓變換后穩(wěn) 定在逆變器技術(shù)要求的范圍內(nèi)。由于燃料電池輸出特性較軟，前級DC/DC變換 器需要具有以下功能根據(jù)功率需求控制輸入電流(即燃料電池輸出電流)變 化率及工作穩(wěn)定值；控制輸入電流紋波在允許范圍內(nèi)；高頻隔離升壓，在較寬 的輸入電壓范圍內(nèi)都能輸出要求的電壓值。逆變器通過控制其輸入端電壓穩(wěn)定 來自動確定輸出功率大小。逆變器技術(shù)是成熟的，主要采用脈寬調(diào)制(PWM) 技術(shù)控制的全橋結(jié)構(gòu)電壓源逆變器(VSI)。因此，前級DC/DC變換器拓?fù)溆绊?系統(tǒng)性能較大，其效率的高低對系統(tǒng)整體效率的影響很大。現(xiàn)有技術(shù)所設(shè)計的 變換器在大電流輸入的情況下功率器件的功率損耗較大，從而降低變換器的效 率
實用新型內(nèi)容
發(fā)電系統(tǒng)中變換器存在效率的問題，而提 出一種能夠最大限度解決在大電流下功率輸入功率器件的功率損耗問題的燃
料電池并網(wǎng)逆變器的前級DC/DC變換器。
為了達(dá)到上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案如下
一種燃料電池并網(wǎng)逆變器的前級DC/DC變換器，該變換器為單向隔離 DC/DC變換器，其包括BOOST變換器、推挽正激變換器以及控制裝置，所述 BOOST變換器的輸入端接燃料電池的輸出電流，BOOST變換器的輸出端接推 挽正激變換器的輸入端，BOOST變換器的控制端與控制裝置相接；所述推挽 正激變換器的輸出端接入到逆變器的后級變換器中，其控制端與控制裝置相 接。
所述BOOST變換器為BOOST升壓電路，由BOOST電感、電流感器、 控制電路、第一 BOOST 二極管模塊、以及第二 BOOST 二極管模塊組成；所 述BOOST電感接在電路輸入端的高電位端，并與電流感器串接；所述第一 BOOST 二極管模塊和第二 BOOST 二極管模塊并接后與電流感器串接，并接 入推挽正激變換器；所述控制電路的輸出端接在電流感器和BOOST 二極管模 塊之間，輸入端與控制裝置相接。
所述BOOST升壓電路中還包括一用于對BOOST升壓電路進(jìn)行電壓采樣 的采樣電路，由第一光電耦合器和第二光電耦合器組成；所述第一光電耦合器 接在電流感器和BOOST 二極管模塊之間；所述第二光電耦合器接在BOOST 升壓電路的輸出端。
所述控制電路由第一 BOOST開關(guān)管和第二 BOOST開關(guān)管并聯(lián)組成。 所述BOOST電感為采用高磁導(dǎo)率U型非晶材料制成的電感。 所述推挽正激變換器為工作于最大固定占空比的推挽正激電路，其由PFC 推挽控制電路、PFC推挽變壓器以及整流電路組成；所述PFC推挽變壓器的 輸入端與BOOST升壓電路輸出端相接，控制端與PFC推挽控制電路相接，其 輸出端與整流電路相接；所述PFC推挽控制電路與控制裝置相接。
所述PFC推挽控制電路由第一 PFC推挽管和第二 PFC推挽管串接組成。 所述PFC推挽變壓器為采用P型磁芯繞制的推挽變壓器。 所述控制裝置由控制BOOST升壓電路中BOOST開關(guān)管的BOOST控制電路和控制推挽正激電路中PFC推挽管的推挽控制電路組成；所述BOOST控 制電路由第一 PWM控制電路通過第三光電耦合器連接控制第一驅(qū)動電路組 成；所述推挽控制電路由第二 PWM控制電路通過第四光電耦合器和第五光電 耦合器分別連接控制第二驅(qū)動電路和第三驅(qū)動電路組成。
根據(jù)上述技術(shù)方案得到的本實用新型在有限的成本控制下，最大限度的減 小了變換器的功率損耗，大大提高了系統(tǒng)的效率，縮短試驗研究成果向規(guī)模產(chǎn) 業(yè)轉(zhuǎn)型的時間。其具有以下優(yōu)點
(1) 本實用新型在控制上實現(xiàn)了功率電路與上位機(jī)控制電路的隔離，有 效地保護(hù)了上位機(jī)控制電路。
(2) 本實用新型采用兩級式DC/DC升壓第一級的BOOST電壓接近燃 料電池最大輸入電壓，最大限度的提高了 BOOST級的效率，且通過對BOOST 電感的設(shè)計使輸入電流紋波控制在一定范圍內(nèi)；第二級的PPFC以固定的最大 占空比開環(huán)工作，無需輸出濾波電感，變壓器以及整流濾波電路都可以得到簡 化，而且也能發(fā)揮PPFC大占空比下工作效率高的優(yōu)勢。
(3) 本實用新型中變換器通過各采樣電路隔離反饋和上位機(jī)的指令形成 一個閉環(huán)，增加了整個逆變?nèi)剂想姵夭⒕W(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、安全性。
(4) 本實用新型采用兩個BOOST 二極管模塊并聯(lián)使用，分流了原單個 二極管模塊承受的大電流，有效降低了二極管的功率損耗，增加f電路使用壽 命，且易于尋找性價比高的二極管模塊。
(5) 本實用新型中BOOST電感采用高磁導(dǎo)率U型非晶材料，最大限度 的增大了銅皮的截面積，減小了線圈的匝數(shù)，使電感的銅損及鐵損降到最小， 且本電感的結(jié)構(gòu)與其它元件的配合使用，節(jié)省了逆變電源空間。
(6) 本實用新型中變壓器采用P型磁芯繞制，此結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的屏蔽性 能、最大限度的拓寬了原邊線圈的銅皮寬度、縮短了線圈的長度、增大了變壓 器的散熱面積的特點，增大了變換器的整體效率。


以下結(jié)合附圖和具體實施方式
來進(jìn)一步說明本實用新型。 圖1為燃料電池并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)示意圖。圖2是本實用新型DC/DC變換器功率電路圖。 圖3是本實用新型DC/DC變換器控制電路圖。 圖4為本實用新型中BOOST電感的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5為本實用新型中變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖6為本實用新型中變壓器的組裝示意圖。
具體實施方式
為了使本實用新型實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白 了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本實用新型。
由上述可知，燃料電池并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)按照功率變換級數(shù)分為單級發(fā)電系統(tǒng) 和多級發(fā)電系統(tǒng)。其中現(xiàn)有燃料電池并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)采用的多級發(fā)電系統(tǒng)，最為
常見的設(shè)計為DC/DC+DC/AC的兩級式變換器結(jié)構(gòu)，采用前級隔離，實現(xiàn)燃料 電池的并網(wǎng)發(fā)電。如圖l所示，這種多級發(fā)電系統(tǒng)包括通過氧與燃料反應(yīng)而產(chǎn) 生DC電的燃料電池、燃料電池產(chǎn)生的DC電進(jìn)行變換的單向隔離DC/DC變 換器、以及將變換后的DC電轉(zhuǎn)換為AC電的逆變器；這樣的系統(tǒng)首先由燃料 電磁1通過氧與燃料反應(yīng)而產(chǎn)生18 34V的DC電101，并將該DC電101輸 入至單向隔離DC/DC變換器2;單向隔離DC/DC變換器2將低壓的DC電101 按照要求變換成400V符合要求的高壓DC電201，并輸入至逆變器3;逆變器 3將接收到的400V高壓DC電201轉(zhuǎn)換成220V的AC電，并輸送至交流負(fù)載 /電網(wǎng)4供使用。
上述的發(fā)電系統(tǒng)，其前級DC/DC變換器的性能影響系統(tǒng)性能較大，其效 率的高低對系統(tǒng)整體效率的影響很大。要提高整體的發(fā)電效率必然要提高前級 DC/DC變換器的性能和效率。
為了使前級DC/DC變換具備上述的各項功能，同時能夠提高前級DC/DC 變換器的效率，本實用新型設(shè)計的適用于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)前級的DC/DC變 換器，由BOOST和推挽正激變換器組合而成，其中推挽正激工作于最大固定 占空比，開關(guān)管和輸出整流管電壓應(yīng)力小，有利于變換器的優(yōu)化設(shè)計。設(shè)計過 程中，盡可能的縮短大電流路徑，使導(dǎo)線的銅損降到最小；選擇合適的磁芯， 設(shè)計符合條件的BOOST電感和推挽變壓器，使其功率損耗降到最?。贿x擇性價比最優(yōu)的功率管及使用方式，在減小功率損耗的同時，利于規(guī)模生產(chǎn)；選擇 合適的控制方式，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
基于上述的設(shè)計思想，本實用新型具體實施如下
一種燃料電池并網(wǎng)逆變器的前級DC/DC變換器，該變換器為單向隔離 DC/DC變換器，其包括BOOST變換器、推挽正激變換器以及控制裝置， BOOST變換器的輸入端接燃料電池的輸出電流，BOOST變換器的輸出端接推 挽正激變換器的輸入端，BOOST變換器的控制端與控制裝置相接；該推挽正 激變換器的輸出端接入到逆變器的后級變換器中，其控制端與控制裝置相接。
上述的前級變換器其設(shè)計電路如圖1所示前級DC/DC變換器主要由 BOOST電感L1，光電耦合器IC1、 IC2，電流感器LTl， BOOST開關(guān)管Ql、 Q2， BOOST 二極管模塊D1、 D2， PFC推挽管Q3、 Q4， PFC推挽變壓器Tl， 整流二極管D3、 D4、 D5、 D6等構(gòu)成。
其中BOOST電感LI 、電流感器LT1 、 BOOST開關(guān)管Ql和Q2、 BOOST 二極管模塊D1和D2、以及相應(yīng)的外圍電路組成第一級BOOST升壓電路。如 圖所示，BOOST電感LI通過保險絲FS1接在電路輸入端的高電位端VFC+， 電流感器LT1串接在BOOST電感LI之后用于采樣BOOST的電感電流。 BOOST 二極管模塊Dl和D2并接后，串接在電流感器LT1之后。在電流感器 LT1和并接的BOOST 二極管模塊之間的髙、低電位端，BOOST開關(guān)管Ql和 Q2并接形成BOOST升壓電路的控制端，其通過接收控制裝置發(fā)出的控制信號 對BOOST升壓電路進(jìn)行控制。
為便于對BOOST升壓電路相應(yīng)的電壓電流進(jìn)行采樣，本設(shè)計在電流感器 LT1和并接的BOOST 二極管模塊之間的高、低電位端和BOOST 二極管模塊 之后的高、低電位端分別連接光電耦合器IC1和IC2。將采集的相應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸 至上位機(jī)，為上位機(jī)的控制提供參數(shù)信號。
上述的第一級BOOST升壓電路，將燃料電池輸入的18 34V直流電壓變 換成36V，通過對BOOST電感的設(shè)計使輸入電流紋波控制在一定范圍內(nèi)、通 過LT1的采樣BOOST的電感電流來控制輸入電流(即燃料電池輸出電流)變 化率及工作穩(wěn)定值。
其中PFC推挽管Q3、 Q4， PFC推挽變壓器Tl，整流二極管D3、 D4、D5、 D6，以及相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成第二級推挽正激電路。該電路的前端在高、 低電壓端并接電容C4和C5;同時在高、低電壓端之間串接PFC推挽管Q3和 Q4形成推挽正激電路的控制端，同時連接控制裝置的輸出端和PFC推挽變壓 器Tl的輸入端，以便接收控制裝置的控制信號對PFC推挽變壓器Tl進(jìn)行控 制；PFC推挽變壓器T1的輸出端連接由整流二極管D3、 D4、 D5、 D6組成的 橋式整流電路的輸入端；橋式整流電路的輸出端并接濾波電容C7和C8。
根據(jù)上述方案得到的推挽正激電路由PPFC將36V升壓到Bus電壓(400V) 直流輸出。PPFC以固定的最大占空比開環(huán)工作，無需輸出濾波電感，變壓器 以及整流濾波電路都可以得到簡化，而且也能發(fā)揮PPFC大占空比下工作效率 高的優(yōu)勢。這種電路在推挽正激變換器前串接了 BOOST變換器，而輸出整流 電路后只接濾波電容，這樣直流輸出電壓就是變壓器次級電壓峰值。
為了實現(xiàn)對上位機(jī)對BOOST升壓電路和推挽正激電路的控制，本實用新 型設(shè)計了控制裝置，其由控制BOOST升壓電路中BOOST開關(guān)管的BOOST 開關(guān)管控制電路和控制推挽正激電路中PFC推挽管的推挽控制電路組成。
如圖3所示整個控制電路由PWM控制電路IC3、 IC4，光電耦合器IC5、 IC6、 IC7，驅(qū)動電路IC8、 IC9、 ICIO，以及門電路ICll、 IC12等組成。
其中PWM控制電路IC3、光電耦合器IC5、驅(qū)動電路IC8、門電路ICll、 IC12A組成第一級BOOST開關(guān)管控制電路。PWM控制電路IC3接收電流感 器LT1的檢測信號和上位機(jī)的控制信號，且還通過門電路IC12A接收上位機(jī) 的控制信號，同時通過門電路ICll控制光電耦合器IC5，該光電耦合器IC5 連接驅(qū)動電路IC8，并通過驅(qū)動電路IC8實現(xiàn)對BOOST升壓電路控制端的控 制。
PWM控制電路IC4，光電耦合器IC6、 IC7，驅(qū)動電路IC9、 ICIO，以及 門電路IC12B組成第二級推挽電路的推挽管控制電路。PWM控制電路IC4通 過門電路IC12B接收上位機(jī)的控制信號，并控制連接光電耦合器IC6、 IC7， 電耦合器IC6、 IC7分別連接驅(qū)動電路IC9、 ICIO，由驅(qū)動電路IC9、 IC10實現(xiàn) 對推挽控制電路中推挽管Q3和Q4的控制。
為了使BOOST電感和推挽變壓器的功率損耗降到最小，本實用新型中 BOOST電感采用高磁導(dǎo)率U型非晶材料制成，變壓器采用P型磁芯繞制而成。如圖4所示，BOOST電感由電感引出腳ll、銅皮繞組12、磁芯13、 U型連 接銅片H、右支架15、固定螺桿16、電感引入腳17、左支架18。其中兩銅皮繞 組的異名端通過U型連接銅片串聯(lián)，引入、引出腳用黃蠟套管絕緣。BOOST電 感采用高磁導(dǎo)率U型非晶材料制成，最大限度的增大了銅皮的截面積，減小了 線圈的匝數(shù)，使電感的銅損及鐵損降到最小，且本電感的結(jié)構(gòu)與其它元件的配 合使用，節(jié)省了逆變電源空間。
如圖5和圖6所示，推挽變壓器由固定螺桿21、磁芯22、自制線圈絕緣套桶 23、自制絕緣板24、變壓器繞組25、原邊引出腳26、副邊引出腳27。原邊引出 腳用黃蠟套管絕緣引出，浸漆后的變壓器用固定螺桿直接固定在冷板上，增大 了變壓器的散熱能力。變壓器采用P型磁芯繞制，此結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的屏蔽性能、 最大限度的拓寬了原邊線圈的銅皮寬度、縮短了線圈的長度、增大了變壓器的 散熱面積的特點，增大了變換器的整體效率。
根據(jù)上述技術(shù)方案得到的本實用新型能夠根據(jù)功率需求控制輸入電流(即 燃料電池輸出電流)變化率及工作穩(wěn)定值，并控制輸入電流紋波在允許范圍內(nèi)； 同時本實用新型采用高頻隔離升壓，在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)都能輸出要求的 電壓值。
以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特征和本實用新型的優(yōu)
點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實
施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神
和范圍的前提下，本實用新型還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入
要求保護(hù)的本實用新型范圍內(nèi)。本實用新型要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書 及其等效物界定。
權(quán)利要求1、一種燃料電池并網(wǎng)逆變器的前級DC/DC變換器，該變換器為單向隔離DC/DC變換器，其特征在于，所述前級DC/DC變換器包括BOOST變換器、推挽正激變換器以及控制裝置，所述BOOST變換器的輸入端接燃料電池的輸出電流，BOOST變換器的輸出端接推挽正激變換器的輸入端，BOOST變換器的控制端與控制裝置相接；所述推挽正激變換器的輸出端接入到逆變器的后級變換器中，其控制端與控制裝置相接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池并網(wǎng)逆變器的前級DC/DC變換器， 其特征在于，所述BOOST變換器為BOOST升壓電路，由BOOST電感、電 流感器、控制電路、第一 BOOST 二極管模塊、以及第二 BOOST 二極管模塊 組成；所述BOOST電感接在電路輸入端的高電位端，并與電流感器串接；所 述第一 BOOST 二極管模塊和第二 BOOST 二極管模塊并接后與電流感器串接， 并接入推挽正激變換器；所述控制電路的輸出端接在電流感器和BOOST 二極 管模塊之間，輸入端與控制裝置相接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種燃料電池并網(wǎng)逆變器的前級DC/DC變換器， 其特征在于，所述BOOST升壓電路中還包括一用于對BOOST升壓電路進(jìn)行 電壓采樣的釆樣電路，由第一光電耦合器和第二光電耦合器組成；所述第一光 電耦合器接在電流感器和BOOST 二極管模塊之間；所述第二光電耦合器接在 BOOST升壓電路的輸出端。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種燃料電池并網(wǎng)逆變器的前級DC/DC變換器， 其特征在于，所述控制電路由第一 BOOST開關(guān)管和第二 BOOST開關(guān)管并聯(lián) 組成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種燃料電池并網(wǎng)逆變器的前級DC/DC變換器， 其特征在于，所述BOOST電感為采用高磁導(dǎo)率U型非晶材料制成的電感。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池并網(wǎng)逆變器的前級DC/DC變換器， 其特征在于，所述推挽正激變換器為工作于最大固定占空比的推挽正激電路， 其由PFC推挽控制電路、PFC推挽變壓器以及整流電路組成；所述PFC推挽 變壓器的輸入端與BOOST升壓電路輸出端相接，控制端與PFC推挽控制電路 相接，其輸出端與整流電路相接；所述PFC推挽控制電路與控制裝置相接。
7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種燃料電池并網(wǎng)逆變器的前級DC/DC變換器， 其特征在于，所述PFC推挽控制電路由第一 PFC推挽管和第二 PFC推挽管串 接組成。
8 、根據(jù)權(quán)利要求6所述的 一種燃料電池并網(wǎng)逆變器的前級DC/DC變換器， 其特征在于，所述PFC推挽變壓器為采用P型磁芯繞制的推挽變壓器。
9、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池并網(wǎng)逆變器的前級DC/DC變換器， 其特征在于，所述控制裝置由控制BOOST升壓電路中BOOST開關(guān)管的 BOOST控制電路和控制推挽正激電路中PFC推挽管的推挽控制電路組成；所 述BOOST控制電路由第一 PWM控制電路通過第三光電耦合器連接控制第一 驅(qū)動電路組成；所述推挽控制電路由第二 PWM控制電路通過第四光電耦合器 和第五光電耦合器分別連接控制第二驅(qū)動電路和第三驅(qū)動電路組成。
專利摘要本實用新型公開了一種燃料電池并網(wǎng)逆變器的前級DC/DC變換器，其包括BOOST變換器、推挽正激變換器以及控制裝置，所述BOOST變換器的輸入端接燃料電池的輸出電流，BOOST變換器的輸出端接推挽正激變換器的輸入端，BOOST變換器的控制端與控制裝置相接；所述推挽正激變換器的輸出端接入到逆變器的后級變換器中，其控制端與控制裝置相接。本實用新型在有限的成本控制下，最大限度的減小了變換器的功率損耗，大大提高了系統(tǒng)的效率，縮短試驗研究成果向規(guī)模產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的時間。
文檔編號H02M3/28GK201374647SQ20092006915
公開日2009年12月30日 申請日期2009年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月20日
發(fā)明者劉亞鵬, 濤 師, 李江達(dá), 范燕萍 申請人:上海航銳電源科技有限公司