小功率燃料電池的逆變電源設(shè)計(jì)

1、本科生畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))小功率燃料電池的逆變電源設(shè)計(jì) 院 系電氣信息工程學(xué)院 專 業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化 班 級03級電氣本科（1）班 學(xué) 號 學(xué) 生 姓 名 聯(lián) 系 方 式 指 導(dǎo) 教 師 職稱：講師2007年 5 月 獨(dú) 創(chuàng) 性 聲 明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）是本人在指導(dǎo)老師指導(dǎo)下取得的研究成果。除了文中特別加以注釋和致謝的地方外，論文（設(shè)計(jì)）中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果。與本研究成果相關(guān)的所有人所做出的任何貢獻(xiàn)均已在論文（設(shè)計(jì)）中作了明確的說明并表示了謝意。簽名： 年 月 日授權(quán)聲明本人完全了解許昌學(xué)院有關(guān)保留、使用本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的規(guī)定，即：有權(quán)保留并向國家有

2、關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的復(fù)印件和磁盤，允許畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）被查閱和借閱。本人授權(quán)許昌學(xué)院可以將畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編論文（設(shè)計(jì)）。本人論文（設(shè)計(jì)）中有原創(chuàng)性數(shù)據(jù)需要保密的部分為（如沒有，請?zhí)顚憽盁o”）：無簽名： 年 月 日指導(dǎo)教師簽名： 年月摘 要燃料電池主要是提供直流電，在實(shí)際應(yīng)用中需要把燃料電池輸出的直流電壓通過變流裝置轉(zhuǎn)換成220V工頻交流電壓。在主電路中有升壓斬波電路，逆變電路，交交變頻電路。通過合理組合搭配這些基本電路，來達(dá)到將直流電轉(zhuǎn)化為工頻交流電。采用雙極性PWM脈沖信號控制電路來控制電路中開

3、關(guān)管的關(guān)斷，采用SG3525A芯片使控制電路的結(jié)構(gòu)簡單。關(guān)鍵字：燃料電池；功率場效應(yīng)管；逆變電源ABSTEACTThe main use of fuel cells is to provide DC. In practical application, DC voltage which is produced by fuel cells needs to be converted into220v AC voltage through converter. In the main circuit, there are Boost Chopper circuits, the inverter c

4、ircuits, Cycloconverter circuits. Through assembling and grouping these basic circuits reasonably, DC can be converted into AC, and using bipolar PWM pulse signal control circuit to control the switch in the circuit. Sg3525A chips simplify the structure that control circuit.Keywords ：Fuel Cell ；Powe

5、r MOSFET；Power Inverter 目 錄1引言12 逆變電源的電路結(jié)構(gòu)22.1逆變電源的斬波52.2逆變電源的逆變部分62.3逆變電源的交交變頻部分92.4對本設(shè)計(jì)的結(jié)論113 對燃料電池未來使用的展望12參考文獻(xiàn)14致 謝15 小功率燃料電池的逆變電源設(shè)計(jì)1引言燃料電池（fuel cell）是一種將持續(xù)供給的燃料和氧化劑的化學(xué)能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化為電能的裝置。燃料電池的活性物質(zhì)儲存在電池之外，只要不斷的供給燃料和氧化劑就能一直發(fā)電，因而容量是無限的。燃料電池是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)由燃料和氧化劑供給系統(tǒng)、水管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、以及近控制系統(tǒng)等幾個(gè)子系統(tǒng)組成。早在1839年英國的法官兼科學(xué)

6、家格羅夫爵士（W.R.Grove）就報(bào)道了第一個(gè)燃料電池裝置，由于電極所使用的鉑很難獲得再加上獲得的電能很小，格羅夫的氣體伏打電池沒有得到實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)法拉第完成了伏打電池的相關(guān)的工作使得在此后40年里燃料電池的相關(guān)工作基本處于停滯狀態(tài)。 1889年蒙德（L.Mond）和他的助手朗格爾發(fā)明了第一個(gè)可以實(shí)際應(yīng)用的燃料電池原型，使用氫氣和氧氣可以在電壓為0.73V時(shí)獲得6.5mA/cm2的電流密度。從這以后燃料電池的研究才步入正軌。 燃料電池通常分成：堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池。而在我的電路中主要是使用的質(zhì)子交換膜燃料電池。 圖1-1 V

7、-I曲線 通常質(zhì)子交換膜 PEM（proton exchange membrane）氫燃料電池的輸出電壓比較低，單體電池的開路電壓在1.15V左右，加負(fù)載后，下降到 0.6V左右，由 64個(gè)單體電池串聯(lián)的燃料電池組，開路電壓約為 74V，工作電壓在 40V左右。燃料電池的 V-I曲線如圖1-1所示兩端較陡，中間段比較平坦，一般工作點(diǎn)設(shè)定在中間段。除負(fù)載大小對燃料電池的輸出電壓有影響外，燃料電池中的燃料流量對輸出電壓也產(chǎn)生影響，減少燃料流量將使V-I特性曲線的中間段變窄。在負(fù)載變化較大的場合使用時(shí)，通常需要有一組獨(dú)立的蓄電池和燃料電池并聯(lián)使用，起緩沖作用。另外，燃料電池對低頻（120Hz 以下）

8、電流紋波比較敏感，低頻電流紋波可能使燃料電池的工作點(diǎn)超越 V-I特性曲線的中間平坦段，進(jìn)入陡峭區(qū)使輸出特性變差，而中高頻（1kHz 以上）電流紋波，對燃料電池的工作點(diǎn)影響不大。燃料電池輸出的直流電壓經(jīng)轉(zhuǎn)換和電壓提升后, 雖然可直接驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)但是在生活中使用交流的用電器遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于使用直流的電器。雖然直流電動(dòng)機(jī)控制電路簡單, 但通常具有體積大、運(yùn)行成本高的缺點(diǎn), 交流電動(dòng)機(jī)具有更優(yōu)良的特性, 將燃料電池輸出的直流電壓轉(zhuǎn)變成交流電壓將更有利于實(shí)際使用。2 逆變電源的電路結(jié)構(gòu)主電路采用“直直交交”變換方案如圖2-1所示電路主要包含有2部分：主電路和控制電路。主電路主要包含有3部分：第一部分使用斬波電

9、路實(shí)現(xiàn)“直直”轉(zhuǎn)換，可以解決解決燃料電池輸出特性較軟、輸出電壓偏低的問題。二極管起到電氣隔離的作用。通過蓄電池的緩沖使逆變部分的輸入電壓穩(wěn)定在48V。第一部分的主要作用就是將燃料電池的直流電壓經(jīng)過提升和穩(wěn)定后作為第二部分的輸入。第二部分為逆變部分，為了進(jìn)一步提高電源的輸出電壓，同時(shí)減小變壓器的體積，減小電流紋波中的低頻分量，通過開關(guān)元件Q21 Q24將直流電源轉(zhuǎn)變?yōu)?KHz的中頻方波電壓輸出。第三部分為交交變頻部分，將1KHz的中頻方波電壓轉(zhuǎn)換成50Hz的正弦波。 圖2-1 主電路圖 在控制電路中的開關(guān)管使用MOSFET。功率場效應(yīng)管（ MOSFET）是一種常用于開關(guān)電源的電力電子器件。它由柵

10、極 G、漏極D 和源極 S組成，并且都在芯片的一邊，導(dǎo)電溝道平行于芯片表面，是水平導(dǎo)電器件，因此，它的容量一般較小，MOSFET中只有一種載流子，它是一種單極型電力電子器件，在關(guān)斷過程中不存在兩種載流子的復(fù)合，所以其開關(guān)頻率很高，達(dá)到500kHz 以上。功率場效應(yīng)管是電壓型控制器件，其輸入阻抗較大，所需要的驅(qū)動(dòng)功率較小，控制性能較好此外，該器件的電流具有負(fù)的溫度系數(shù)，自調(diào)節(jié)性能好，不易產(chǎn)生局部過熱，因而不易發(fā)生二次擊穿現(xiàn)象。同時(shí)，功率場效應(yīng)管還有熱穩(wěn)定性好和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。表2-1為功率晶體管，MOSFET和IGBT三種電力電子元件性能的比較：表2-1 功率晶體管、MOSFET和IGBT性

11、能比較器件開關(guān)頻率電流容量可控性可控性飽和壓降安全工作區(qū)其它功率晶體管中大難電流型極低小有二次擊穿現(xiàn)象MOSFET高小易電壓型高大無二次擊穿現(xiàn)象IGBT高大易電壓型低大有擎柱電流現(xiàn)象控制電路主要的核心部件為SG3525A芯片。SG3525A芯片各引腳功能如下: 1、2引腳分別為誤差放大器的反相輸入端和同相輸入端；3腳為同步輸出端；4振蕩器輸出；5、6腳分別外接內(nèi)部振蕩器的時(shí)基電容和電阻；7腳接放電電阻；8腳為軟啟動(dòng)；9腳為誤差放大器的頻率補(bǔ)償端；10腳為關(guān)斷控制端,用于實(shí)現(xiàn)限流控制；11、14腳為輸出端；l2腳為接地端；l3腳接輸出管集電極電源；l5腳接SG3525A的工作電源；l6腳為5.1

12、V基準(zhǔn)電壓引出端。芯片 +5.1V基準(zhǔn)電壓精度為 1%，由于基準(zhǔn)電壓值在誤差放大器的輸入共模范圍內(nèi)，因此無需外接電阻。SG3525A可以工作在主從模式，也可以與外部時(shí)鐘同步。通過 Ct 與放電端之間的電阻Rt可以調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間。SG3525A是一種性能優(yōu)良、功能齊全、通用性強(qiáng)的單片集成脈寬調(diào)制控制器，由于它簡單可靠及使用方便靈活，大大簡化了控制電路的設(shè)計(jì)及調(diào)試。SG3525A主要由基準(zhǔn)調(diào)節(jié)器、振蕩器、誤差放大器、PWM比較器和鎖存器、分相器、或非門電路和圖騰輸出電路等幾大部分組成。(1) 基準(zhǔn)調(diào)節(jié)器：基準(zhǔn)調(diào)節(jié)器是輸出 5.1V，50mA,有短路保護(hù)的電壓調(diào)整器。它供給所有內(nèi)部電路,同時(shí)又可作為外

13、部基準(zhǔn)參考電壓。 (2) 振蕩器：振蕩器產(chǎn)生后沿較陡的鋸齒波，改變充電電容的大小即可改變鋸齒波的頻率，即振蕩器的振蕩頻率。C放電通過外接電阻 R來實(shí)現(xiàn)，改變R即可改變C的放電時(shí)間常。數(shù),從而也改變了死區(qū)時(shí)間，而 C的充電是由R規(guī)定的內(nèi)部電流源決定的。脈寬調(diào)制集成芯片SG3525A的特點(diǎn)： a)芯片內(nèi)振蕩器工作頻率為0 Hz - 400 kHz，設(shè)有引腳3為同步端，為多個(gè)SG3525A聯(lián)用提供方便。b)內(nèi)置5.1 Vt1.0%的基準(zhǔn)電壓源。c)為了適應(yīng)驅(qū)動(dòng)快速場效應(yīng)管的需要，末級采用推拉式工作電路，使開關(guān)速度更快，末級輸出或吸入電流最大值可達(dá)400 mA 。d)內(nèi)設(shè)欠壓鎖定電路，當(dāng)輸人電壓小于8

14、V時(shí)，芯片內(nèi)部鎖定，停止工作(基準(zhǔn)源及必要電路除外，使其消耗電流將降至小于2 mA )。e)有軟啟動(dòng)電路，比較器的反相輸人端即軟啟動(dòng)控制端芯片的引腳8，可外接軟啟動(dòng)電容C。該電容器內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓由恒流源供電，達(dá)到2.5 V的時(shí)間為:=(2.5 V/50 pA) C，占空比由小到大(50%)變化。f)內(nèi)置PWM(脈寬調(diào)制)鎖存器將比較器送來的置位信號鎖存，并將誤差放大器上的噪聲、振鈴及系統(tǒng)所有的跳動(dòng)和振蕩信號消除。只有在下一個(gè)時(shí)鐘周期才能重新置位，系統(tǒng)的可靠性高。SG3525A的控制特性：圖22 控制特性圖當(dāng)SG3525A調(diào)頻電阻、調(diào)頻電容一定時(shí)，改變脈沖寬度，就會(huì)得到輸出脈沖不同的一系列脈沖，

15、得到引腳11,14輸出調(diào)寬電壓與占空比的關(guān)系，如圖22所示。從圖中可以看出，當(dāng)脈寬為周期的1/2時(shí)，輸出電壓幅值最大。2.1逆變電源的斬波由圖11可以看出燃料電池的伏安特性曲線不是一條平直的直線，從而得出燃料電池輸出功率通常不具有一個(gè)合適的電壓，而且電壓也不恒定所有電動(dòng)機(jī)的電壓隨著電流的增加而減小，而且在燃料電池中下降得更快。所以需要斬波電路來對燃料電池的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其保持在一個(gè)恒定的電壓值，這個(gè)值一般可以高于或低于燃料電池的工作電壓。一般升壓斬波電路對燃料電池的電壓提升非常簡單而且有效。圖2-3所示為升壓斬波電路的原理圖。分析升壓斬波電路的工作原理時(shí)，首先假設(shè)電路中電感L值很大，電容

16、C值也很大。在Q1處于通態(tài)期間，電源E向電感L充電，充電電流基本恒定為，同時(shí)電容C上的電壓向負(fù)載R供電，因C值很大，基本保持輸出電壓為恒值，記為Uo。設(shè)Q1處于通態(tài)的時(shí)間為，此階段電感L上積蓄的能量為。圖2-3斬波電路當(dāng)Q1處于斷態(tài)時(shí)E和L共同向電容C充電并向負(fù)載R提供能量。設(shè)Q1處于斷態(tài)的時(shí)間為則在此期間電感L釋放的能量為當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量相等，即: (21)化簡得： (22)升壓斬波電路的輸出電壓高于電源電壓。而在本電路中使用蓄電池來代替電容，控制電路和升壓斬波電路如圖2-4所示。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通的時(shí)候，電流在燃料電池和電感形成回路，同時(shí)對電感充

17、電，從而使電感中的電流得到增強(qiáng)，二極管阻止蓄電池的電流通過開關(guān)回流。當(dāng)MOSFET截止的時(shí)候，由于電流下降導(dǎo)致電感電壓快速的增加，一旦電壓增加到電池電壓（在二極管上有約0.6V的電壓降）之上，二極管就會(huì)導(dǎo)通，從而為下一級電路提供電壓或者給蓄電池進(jìn)行充電，只要電感上有能量這個(gè)過程就會(huì)一直進(jìn)行下去。然后MOSFET再一次導(dǎo)通，電感再次蓄能，由電池為下級供電。短時(shí)間內(nèi)的開關(guān)斷開可以得到高壓。不過由于在電路中各種元件都有能量的損耗，所以輸出電壓不會(huì)完全和公式得出的電壓值相同，而是略低于這個(gè)值。同時(shí)在升壓斬波電路主要的能量損失有：a. MOSFET的開關(guān)損失；b. MOSFET和、接通時(shí)的功率損失；c.

18、 電感的電阻功率損失；圖2-4斬波電路控制及驅(qū)動(dòng)圖控制電路需要實(shí)現(xiàn)的功能是產(chǎn)生PWM信號，用于控制斬波電路中主功率器件的通斷,通過對占空比的調(diào)節(jié)，達(dá)到控制輸出電壓大小的目的。此外,控制電路還完成一定的保護(hù)功能。本裝置的控制電路采用控制芯片SG3525A為核心組成，芯片的輸入電壓工作范圍是8V到35V，這里選用了15V。它的振蕩頻率可在0Hz到400kHz的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，本設(shè)計(jì)中將頻率配置為大約18kHz，不產(chǎn)生噪音。芯片的CT端和放電端之間(即6腳和7腳之間)串聯(lián)一個(gè)電阻可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間。此外，其軟起動(dòng)電路非常容易設(shè)計(jì)，只需外部接一個(gè)軟起動(dòng)電容(即8腳所接電容)即可。此控制電路對于降

19、壓和升壓斬波電路都具有過流保護(hù)功能。在升壓斬波電路中，由于主電路和控制電路共地，所以驅(qū)動(dòng)電路不需要采用隔離。在降壓斬波電路中則需要在控制電路和主電路之間加隔離。本裝置中采用的隔離方法是：先加一級光耦隔離,再加一級推挽電路進(jìn)行放大。采用的光耦是TLP521-1。而在本設(shè)計(jì)中的驅(qū)動(dòng)電路中使用一個(gè)光電隔離的元件是為了將主電路與控制電路隔離開來，從而達(dá)到減小主電路對控制電路的干擾的目地。為得到最佳的波形，在調(diào)試的過程中對需要對光耦隔離兩端的電阻進(jìn)行了合理的搭配。2.2逆變電源的逆變部分： 以圖2-5來說明逆變電路的在理想狀態(tài)下的工作原理。圖中S1-S4是橋式電路的4個(gè)臂，它們由電力電子器件及其輔助電路

20、組成。當(dāng)開關(guān)S1、 S4閉合時(shí)，S2、 S3斷開時(shí)，負(fù)載電壓為正；當(dāng)開關(guān)S1 、S4斷開，S2、 S3閉合時(shí)，為負(fù)。這樣就把直流電變成了交流電，改變兩組開關(guān)的切換頻率，即可改變交流電的頻率。這就是逆變電路最基本的工作有原理。圖2-5 理想狀態(tài)下的原理圖當(dāng)負(fù)載為阻感時(shí)，的相位滯后于兩者的波形也不一樣。假設(shè)在T1時(shí)刻以前S1S4是導(dǎo)通的，S2S3是斷開的，且同時(shí)為正。在T1時(shí)刻斷開S1S4，同時(shí)閉合S2S3則的極性立刻變成負(fù)的。但是由于在負(fù)載中有電感的存在，其電流不能立刻改變方向而維持原來的方向，這時(shí)候負(fù)載的電流相當(dāng)于從直流電源的負(fù)極流出，經(jīng)過S2，負(fù)載，S3流回到直流電源的正極，負(fù)載電感中儲存的

21、電能向直流電源反饋，負(fù)載電流逐漸的減小，到時(shí)刻時(shí)降為0，之后才反向并逐漸增大。S2、S3斷開，S1、S4閉合時(shí)電路中電流電壓的情況是相似的。圖2-6 逆變電路的控制電路圖而在本設(shè)計(jì)中所采用的是MOSFET開關(guān)管，采用雙極性PWM控制方式?？刂齐娐啡鐖D2-6所示。驅(qū)動(dòng)電路如圖2-7所示。控制電路中SG3525A芯片的11腳和14腳分別接在驅(qū)動(dòng)電路的OUTA和OUTB上面。在驅(qū)動(dòng)電路中，使用一個(gè)橋式電路。四個(gè)三極管分為兩組交替導(dǎo)通產(chǎn)生交流信號，通變壓器使主電路與控制電路電氣隔離。在變壓器的二次側(cè)有四個(gè)線圈可以得到四個(gè)PWM脈沖，其中G-Q21，S-Q21和G-Q24，S-Q24兩路PWM脈沖與G-

22、Q23，S-Q23和G-Q22，S-Q22兩路PWM脈沖為頻率幅值相同極性相反。通過在電路中接兩個(gè)15V的穩(wěn)壓二極管，從而在驅(qū)動(dòng)電路的輸出端產(chǎn)生15V的正向脈沖和15V的反向脈沖，來控制電路中的MOSFET管按照所需要的頻率來關(guān)斷和導(dǎo)通電路從而獲得所需要頻率的交流電。在驅(qū)動(dòng)電路中電容的作用主要是蓄能。在電路中G-Q21接主電路MOSFET管Q21的G極，S-Q21接MOSFET管Q21的S極；G-Q24接MOSFET管Q24的G極，S-Q24接MOSFET管Q24的S極；G-Q22接MOSFET管Q22的G極，S-Q22接MOSFET管Q22的S極；G-Q23接MOSFET管Q23的G極，S-

23、Q23接MOSFET管Q23的S極。調(diào)制信號為正弦波，為載波。在的半個(gè)周期內(nèi)，三角波不再是單極性的，而是有正有負(fù)，所得的PWM波也上有正有負(fù)。在Ur的一個(gè)周期內(nèi)，輸出的PWM波只有+和-兩種電平。當(dāng)時(shí)，給Q21Q24以導(dǎo)通信號給Q22Q23以關(guān)斷信號。這時(shí)如果0，則Q21Q24導(dǎo)通，如果0，則VD21VD24，不管什么情況下輸出電壓都是=。當(dāng)時(shí)，給Q22Q23導(dǎo)通信號，給Q21Q24關(guān)斷信號，這個(gè)時(shí)候如果0則Q22Q23導(dǎo)通，如果0則VD22VD23導(dǎo)通，不管什么情況都是=-。圖2-7 逆變電路的驅(qū)動(dòng)電路逆變電路在主電路中的工作原理如下：逆變橋由兩組橋臂組成，分別為Q21和Q24MOSFET模

24、塊，Q22和Q23MOSFET模塊，兩個(gè)模塊分別同時(shí)導(dǎo)通。當(dāng)PWM1驅(qū)動(dòng)脈沖同時(shí)分別加到Q21和Q24的G極上時(shí)，此時(shí)兩管同時(shí)導(dǎo)通電流路徑為E (+)Q21Q24E（-）。當(dāng)Q21和Q24開啟時(shí)前一級斬波電路升壓的電壓和蓄電池的電壓E并聯(lián)加在變壓器T的初級繞組上。電壓方向?yàn)閍b。當(dāng)Q21和Q24截止時(shí)而Q22和Q23還沒有導(dǎo)通時(shí)，反電勢經(jīng)過VD22和VD23把電感線圈儲存的能量回傳給電池E。同樣當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖PWM2同時(shí)加到Q22和Q23的G極時(shí)，此時(shí)Q22和Q24導(dǎo)通 電流路徑為E（+）Q23Q22E（-），這個(gè)時(shí)候Tab上的電流方向與Q21Q24導(dǎo)通時(shí)方向相反。此時(shí)前一級斬波電路升壓的電壓和蓄

25、電池的電壓E并聯(lián)加到變壓器T的初級繞組上，電壓方向?yàn)閎a。當(dāng)Q22和Q23截止時(shí)，而Q21和Q24還沒來得及導(dǎo)通時(shí)，反電勢經(jīng)過VD24和VD21將電感線圈儲存的能量回傳給電池E。由于Q21和Q24，Q22和Q23兩組模塊的交替工作，在變壓器T的次級繞組中就產(chǎn)生了交流電壓。2.3逆變電源的交交變頻部分： 交交變頻電路的工作原理Q31Q34和Q32Q33兩組橋臂，每個(gè)開關(guān)管都是由一個(gè)MOSFET管和一個(gè)二極管并聯(lián)構(gòu)成。一般它們不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。在本設(shè)計(jì)的前一級電路中的變壓器的二次側(cè)所獲得的交流電為1KHz的頻率。電路中的負(fù)載為阻感性負(fù)載用雙極性PWM方式對電路的MOSFET進(jìn)行相應(yīng)的控制從而獲得50H

26、z的交流電。根據(jù)電流iL2 的極性及晶體管導(dǎo)通的情況，對電路的工作過程按以下4個(gè)階段進(jìn)行分析。階段1：電流極性為正，中頻電源的正半周，電壓上正下負(fù)。MOSFET管Q31和Q34相對中頻電源正半周上升沿，滯后（由脈形成電路控制）角導(dǎo)通，電流上升，到達(dá)T/2時(shí)間點(diǎn)后，電源電壓反向，由于電感的作用，使Q31、Q34仍然維持導(dǎo)通，電流方向不變，數(shù)值開始下降，等效原理圖如圖2-8(a)所示。電路方程為： （23） (24)其中，為中頻方波電壓幅值。當(dāng)輸入電壓正半周時(shí)，負(fù)載電流變化為： （25）其中，為從負(fù)向正跳變瞬間時(shí)電感的電流值。t 的計(jì)時(shí)起點(diǎn)為跳變點(diǎn)。當(dāng)變頻器輸入電壓負(fù)半周時(shí)，負(fù)載電流為： （26）

27、其中，為從正向負(fù)跳變瞬間時(shí)的電感電流值。t 的計(jì)時(shí)起點(diǎn)也是跳變點(diǎn)。只要在負(fù)載電流下降到0之前，Q32、Q33導(dǎo)通，電流將再次上升，電路進(jìn)入第2階段。圖2-8 (a) 階段1圖2-8 (b) 階段2圖2-8(c) 階段3圖28（d）階段4階段2： 電流極性為正，中頻電源的負(fù)半周，即電源的下正上負(fù)。開始階段輸出電壓為負(fù),二極管VD32、VD33相對中頻電源負(fù)半周下降沿，滯后（由脈沖形成電路控制）角導(dǎo)通。 VD32、VD33導(dǎo)通后，電流由降轉(zhuǎn)升，到達(dá)時(shí)間點(diǎn) T 后，電源電壓反向，上正下負(fù)。由于電感的作用，VD32、VD33 仍然維持導(dǎo)通。這時(shí)，電流維持原方向不變，但數(shù)值開始下降，等效電路如圖2-8(

28、b)所示。階段3：電流極性為負(fù)，中頻電源正半周。開始階段輸出電壓為正，Q32、Q33相對中頻電源正半周上升沿，滯后（由脈沖形成電路控制）角導(dǎo)通，電流的絕對值上升，到達(dá)本周期的T/2點(diǎn)后，電源電壓反向。由于電感的作用，Q32、Q33仍然維持導(dǎo)通，電流維持原方向不變，但數(shù)值的絕對值開始下降，且a、b端電壓反向，如圖2-8(c)所示。階段4：電流極性為負(fù)，中頻電源的負(fù)半周。開始階段輸出電壓為負(fù)。二極管VD31、VD34相對中頻電源負(fù)半周下降沿，滯后（由脈沖形成電路控制）角導(dǎo)通，電流的絕對值由降轉(zhuǎn)升，當(dāng)?shù)竭_(dá)本周期T點(diǎn)后，電源電壓反向。由于電感的作用，VD34、VD31仍然維持導(dǎo)通，這時(shí)，電流仍維持原方

29、向不變，但數(shù)值的絕對值開始下降，且 a、b 端電壓反向，如圖2-8(d)所示。對本設(shè)計(jì)的交交變頻部分所采用的PWM控制與逆變部分采用相同的雙極性PWM控制方式，只是二者的輸出脈沖的頻率不一樣。在電路中根據(jù)公式： （27） 得到50Hz時(shí)SG3525A和的所接電阻和電容的大小。在控制電路中使用與逆變部分相同的驅(qū)動(dòng)電路。控制電路如圖2-9所示。驅(qū)動(dòng)電路如圖21-10所示。 驅(qū)動(dòng)電路中的G-Q31接MOSFET管Q31的G極，S-Q31接MOSFET管Q31的S極；G-Q34接MOSFET管Q34的G極，S-Q34接MOSFET管Q34的S極；G-Q32接MOSFET管Q32的G極，S-Q32接MO

30、SFET管Q32的S極；G-Q33接MOSFET管Q33的G極，S-Q33接MOSFET管Q33的S極。在驅(qū)動(dòng)電路中OUTA和OUTB分別接控制電路中SG3525A芯片的11腳和14腳。圖2-9變頻電路的控制電路 圖2-10變頻電路的驅(qū)動(dòng)電路2.4對本設(shè)計(jì)的結(jié)論：燃料電池逆變器中，采用雙極性PWM控制方式雙交-交變頻電路具有結(jié)構(gòu)合理，工作可靠，性能良好等特點(diǎn)。特別適合將電流源型的直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓。整個(gè)逆變系統(tǒng)可分成幾個(gè)相對獨(dú)立的部分。在電路調(diào)整階段，對各部分的性能參數(shù)調(diào)整可分別進(jìn)行。另外，系統(tǒng)中使用的普通蓄電池能對電源起緩沖作用。一方面，為燃料電池系統(tǒng)在冷啟動(dòng)時(shí)，提供必要的電能。3 對燃

31、料電池未來使用的展望：作為一種清潔高效而且性能穩(wěn)定的電源技術(shù)，燃料電池已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域以及軍事領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用，現(xiàn)在世界各國正在加速其在民用領(lǐng)域的商業(yè)開發(fā)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，燃料電池在電源電力驅(qū)動(dòng)發(fā)電等領(lǐng)域內(nèi)都有明顯的優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。在未來的若干年里，燃料電池的需求將會(huì)突飛猛進(jìn)。根據(jù)業(yè)內(nèi)人士的樂觀估計(jì)，到2010年將會(huì)有上百萬的家庭使用燃料電池作為家庭電源，將會(huì)有數(shù)萬輛燃料電池車在道路上行駛。到那時(shí)，燃料電池將在全世界約有100億美元左右的市場規(guī)模。從短期來看，燃料電池可能最先在移動(dòng)電源領(lǐng)域取得商業(yè)化的成功。隨著各項(xiàng)科技的進(jìn)步，種類繁多的便攜式電子用電設(shè)備讓人目不暇接，傳統(tǒng)電池容

32、量的提高與電子設(shè)備節(jié)電設(shè)計(jì)也不能滿足人們對于功能強(qiáng)大的電子設(shè)備的耗電需求，質(zhì)子交換膜燃料電池和直接甲醇燃料電池將會(huì)在這一領(lǐng)域大有作為。作為移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字設(shè)備（PDA）、便攜式攝像機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)玩具等的電源、燃料電池將開創(chuàng)一個(gè)商業(yè)化應(yīng)用的道路。作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力電源，是燃料電池最具吸引力的應(yīng)用方向之一。目前世界各大汽車制造商都先后投入巨資開發(fā)燃料電池電動(dòng)汽車，例如通用，戴姆勒克萊斯勒、本田、豐田等，僅通用汽車一家就在燃料電池電動(dòng)汽車的研究開發(fā)項(xiàng)目上投入了約10億美元。目前，這些汽車巨頭們都相繼展出，示范了他們開發(fā)的燃料電池，例如通用的HydroGen3、戴姆勒克萊斯勒的F-Cell、豐

33、田的FCHV4、本田的FCXV3等。雖然汽車生產(chǎn)商的熱情很高，希望近幾年能讓燃料電池汽車進(jìn)入市場，但目前還沒有哪家企業(yè)達(dá)到商業(yè)化程度。目前燃料電池汽車價(jià)格高昂，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)價(jià)格是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)價(jià)格的10倍左右，不具有與市場競爭優(yōu)勢，更加制約發(fā)展的缺乏氫氣的制備、儲存與運(yùn)輸這些龐雜的基礎(chǔ)設(shè)施。根據(jù)計(jì)算，要建立一套每天生產(chǎn)100萬桶石油當(dāng)量氫氣制備廠、運(yùn)輸線、加氫站等基礎(chǔ)等設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，投資就會(huì)高達(dá)1000億美元以上，而這個(gè)當(dāng)量僅是目前美國道路能耗的10%。目前只有美國加利福尼亞州計(jì)劃到2010年建成一個(gè)加氫基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò) 。受這些條件的制約，多數(shù)業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為至少要1520年時(shí)間才能使燃料電池電動(dòng)汽車市場

34、逐漸形成規(guī)模。燃料電池是繼水電、火電、核電之后的第四代發(fā)電技術(shù)，與常規(guī)發(fā)電技術(shù)相比，燃料電池具有很多優(yōu)點(diǎn)：發(fā)電效率高，可達(dá)到40%60%，熱電聯(lián)合循環(huán)效率可達(dá)到70%以上；污染小，氮氧化物、硫氧化物排放量很少，二氧化碳的排放量也比火電的少40%60%；噪聲小，工廠的規(guī)?？纱罂尚。赡K化等。作為集中式發(fā)電廠和分部式發(fā)電站，目前以磷酸燃料電池技術(shù)最為成熟，美國和日本都達(dá)到兆瓦級試驗(yàn)電廠階段，日本千葉縣的11MW試驗(yàn)電廠是世界上最大的燃料電池發(fā)電廠。磷酸燃料電池電站基本處于前期商業(yè)化階段，僅在日本就有上百套電站系統(tǒng)在運(yùn)行。缺點(diǎn)是發(fā)電成本偏高，目前的價(jià)格水平處于15003000$/KW之間，這是影響其廣泛應(yīng)用的一個(gè)制約因素之一。從技術(shù)上來說，磷酸燃料電池的效率偏低只有40%左右，由于工作溫度較低（200左右），廢熱的利用價(jià)值不高，所以現(xiàn)在廣泛的認(rèn)為，處于更高溫度工作的熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）更加適合作為集中式電廠做熱電聯(lián)供發(fā)電。Fuel-Cell Energy公司的250KW2MW熔融碳酸鹽燃料電池系統(tǒng)以及