【摘要】：隨著能源消耗的不斷增長(zhǎng),化石燃料的枯竭以及環(huán)境污染的日益嚴(yán)重,開發(fā)清潔的可持續(xù)能源變得越來(lái)越重要。燃料電池因其原料易得、無(wú)污染、轉(zhuǎn)換效率高、工作噪聲低等優(yōu)點(diǎn)受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。在燃料電池的諸多實(shí)際應(yīng)用中,往往需要較高的直流母線電壓,而燃料電池的輸出電壓較低、變化范圍寬且對(duì)電流紋波有一定的要求,這就需要后級(jí)的直流變換器在保證燃料電池正常工作的情況下將其輸出電壓提升至所需電壓值。本文針對(duì)燃料電池的應(yīng)用要求提出了一種非隔離型直流變換器,其具有升壓比高、輸入電流紋波小、功率器件應(yīng)力低、效率高等特點(diǎn)。本文分析了燃料電池的工作原理及穩(wěn)態(tài)特性,對(duì)比分析了現(xiàn)有各拓?fù)浣鉀Q方案的優(yōu)缺點(diǎn),然后結(jié)合交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)和耦合電感的優(yōu)勢(shì),提出了含耦合電感的交錯(cuò)并聯(lián)直流變換器,分析了其工作原理和電路中各參數(shù)對(duì)變換器穩(wěn)態(tài)特性的影響,推導(dǎo)出了輸出直流電壓增益的精確表達(dá)式、功率器件電壓應(yīng)力表達(dá)式以及二極管零電流關(guān)斷的條件,利用PSIM軟件對(duì)變換器的工作原理和穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。最后搭建了一臺(tái)輸入18～36V、輸出400V的1kW實(shí)驗(yàn)樣機(jī),在不同工況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明本文提出的變換器能夠?qū)崿F(xiàn)11.11至22.22的高升壓比,輸入電流紋波和功率器件電壓應(yīng)力均較小,能在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)二極管的零電流關(guān)斷和開關(guān)管的軟開通。功率分析儀的測(cè)量結(jié)果表明本文提出的變換器能夠?qū)崿F(xiàn)很高的滿載效率,最高可至97.49%。
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM46;TM911.4
【圖文】：

（８．３１４３邋Ｊ／ｍｏｌ．Ｋ），Ｆ為法拉第常數(shù)（９６４８７庫(kù)侖／ｍｏｌ），尸ｍ（0和尸0２（，）分別為輸入氫逡逑氣和氧氣的壓強(qiáng)，Ｃｔｅ為常數(shù)因子，／（0為電池電流，＾為總延遲。單個(gè)燃料電池的逡逑伏安特性曲線如圖１－３所示。逡逑Ｊ邋Ｖ邐｜邐理想輸出電壓邐Ｉ邐逡逑。NB邐Ｉ逡逑Ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ邐ｉ逡逑電邋Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ邋丨邐＇、逡逑＇Ｊ邋0．６邋＿邋活化極丨逡逑電邐化區(qū)邋Ｉ邋Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ邋ｊ逡逑壓0４－邐！邐歐姆極化區(qū)｜邐＼逡逑（Ｖ）邋？邐｜邐Ｉ邐＼逡逑ｉ邋Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ逡逑ｎ邋９邋＿邐！邐！邐Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ逡逑．邐｜邐；濃度極逡逑舛區(qū)逡逑０邐０：２邐０：４邐０６邐０８邋￣ＫＯ邐１．２逡逑電流密度（Ａ／ｃｍ２）逡逑圖１－３燃料電池伏－安特性曲線逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｖｏｌｔａｇｅ－ｃｕｒｒｅｎｔ邋ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ邋ｏｆ邋ｆｕｅｌ邋ｃｅｌｌ逡逑如上圖，單個(gè)燃料電池的輸出電壓較小，帶載時(shí)不到ＩＶ，一般將多個(gè)甚至幾逡逑十個(gè)燃料電池串聯(lián)使用。電池輸出電壓時(shí)會(huì)工作在歐姆極化區(qū)，其值會(huì)隨著輸出逡逑電流的增大而線性減小，即負(fù)載越重輸出電壓越小，且變化范圍較大。逡逑在中低負(fù)載情況下，電力電子系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)施加的高頻電流紋波對(duì)燃料電逡逑池的影響可忽略不計(jì)。但低頻電流紋波會(huì)造成電感應(yīng)熱變化以及氫利用率的變化，逡逑這兩者都直接影響燃料電池的性能和壽命。因此，為了使燃料電池輸出穩(wěn)定，并逡逑且保護(hù)電池的使用壽命，應(yīng)使其輸出電流的低頻紋波變化幅度保持在一定范圍內(nèi)逡逑曑。逡逑１．１．３燃料電池的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用逡逑與其他發(fā)電形式相比

１．２．１隔離型高升壓比ＤＣ－ＤＣ變換器逡逑現(xiàn)有的一些隔離電壓型ＤＣ－ＤＣ變換器，例如移相全橋變換器，可以通過增加逡逑變壓器的匝比來(lái)實(shí)現(xiàn)高升壓比，如圖１－５所示。但這種電壓型變換器的輸入電流是逡逑脈沖式的，對(duì)燃料電池的性能和壽命造成很大影響，需要很大的電容來(lái)抑制輸入逡逑電流的紋波。此外，變壓器二次側(cè)二極管的電壓應(yīng)力高于輸出電壓，限制了變換逡逑器在高壓輸出應(yīng)用中的效率［１７］。逡逑Ｓ，邋Ｉｐ邐Ｓ￣２｜ｐ邋芬邋＾１＾邋＾＾２逡逑—邐＾邋＾邐Ｃａ－邋￣邋＾逡逑圖１－５移相全橋變換器逡逑Ｆｉｇ．邋１－５邋Ｐｈａｓｅ邋ｓｈｉｆｔ邋ｆｕｌｌ－ｂｒｉｄｇｅ邋ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ逡逑電流型隔離變換器相比電壓型隔離變換器更適合輸入電流紋波要求高的場(chǎng)逡逑合，如有源鉗位雙升壓變換器［１８］和有源鉗位全橋變換器［１９］均可以實(shí)現(xiàn)高升壓比和逡逑高效率，如圖１－６和圖１－７所示。但這類變換器需要許多功率器件，驅(qū)動(dòng)和控制電逡逑路的成本很高，并且在輸入電流大的場(chǎng)合其導(dǎo)通損耗很高。與電壓型變換器相同逡逑的是，功率器件的額定電壓值較高，增加了變換器成本，且變壓器的漏感會(huì)對(duì)開逡逑關(guān)管造成較大的電壓尖峰問題。逡逑５逡逑

圖１－７有源鉗位全橋變換器逡逑Ｆｉｇ．邋１－７邋Ａｃｔｉｖｅ－ｃｌａｍｐ邋ｆｕｌｌ－ｂｒｉｄｇｅ邋ｂｏｏｓｔ邋ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ逡逑非隔離型高升壓比ＤＣ－ＤＣ變換器逡逑非隔離型拓?fù)渲�，傳統(tǒng)Ｂｏｏｓｔ變換器可用于提升直流電壓，如圖１－８要極大的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)高升壓比，占空比過大會(huì)給輸出側(cè)二極管Ｚ）。向恢復(fù)問題。其次，要想實(shí)現(xiàn)較小的輸入電流紋波，Ｂｏｏｓｔ電路所需。而且Ｂｏｏｓｔ電路的開關(guān)管的電壓應(yīng)力與輸出電壓相等，所需功率開電壓比較高，器件較大，影響效率。為提高變換器的升壓比，ｓｔ電路存在的問題，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者進(jìn)行了大量研究，并提出了很多獻(xiàn)［２０－２４］使用單開關(guān)級(jí)聯(lián)Ｂｏｏｓｔ結(jié)構(gòu)，典型的電路拓?fù)淙鐖D１－９所示？級(jí)聯(lián)Ｂｏｏｓｔ電路相比兩級(jí)Ｂｏｏｓｔ串聯(lián)的結(jié)構(gòu)省去了一個(gè)開關(guān)器件，能

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2760982