摘要：介紹PEMFC發(fā)電機的電能變換系統(tǒng)，探討一種應用于該系統(tǒng)的5 kW高頻變壓器，根據(jù)已研制的PEMFC技術指標設計了相應的高頻變壓器參數(shù)，最后對所設計的高頻變壓器給出了仿真和試驗測試。結果證明所設計的高頻變壓器能夠使PEMFC發(fā)出的電特性獨特的幅值相對偏低的直流電壓提升到一個較高的需要值。
關鍵詞：PEMFC；高頻變壓器；電能變換系統(tǒng)；發(fā)電機

0 引言
    PEMFC氫能發(fā)電機因其能量轉換率高、潔凈無污染、噪音低、模塊化結構和比功率高等優(yōu)點，在軍用和民用領域都具有十分廣闊的應用前景。
    由于PEMFC發(fā)電機發(fā)出的是一種電特性獨特、電壓相對偏低的直流電。其不僅動態(tài)情況下輸出電壓變化劇烈，靜態(tài)情況下的負載電壓與空載電壓之間也存在很大的差異，在PEMFC電能變換系統(tǒng)中通常需要一個高頻變壓器將其輸出電壓提升和穩(wěn)定在一個所需要的電壓，以滿足后級的供電要求。

1 PEMFC發(fā)電機的輸出特性
    實驗所得的PEMFC發(fā)電機動態(tài)特性曲線如圖1、圖2所示。

    從所測得的動態(tài)電壓波形可以看出，負載發(fā)生變化時，PEMFC發(fā)電機輸出電壓也隨之改變，增大負載時電壓先降低后升高且有波動，減小負載時電壓升高的速度較快。這就要求在PEMFC發(fā)電系統(tǒng)中，需要一個前級DC／DC變換器將其輸出電壓提升和穩(wěn)定在一個所需要的電壓，以滿足后級單相逆變器的供電要求。[!--empirenews.page--]

2 PEMFC發(fā)電機DC／AC逆變系統(tǒng)結構
    本文設計的PEMFC發(fā)電機DC／AC逆變系統(tǒng)結構如圖3所示，系統(tǒng)采用單向電壓源高頻環(huán)節(jié)逆變器技術，一個DC／DC變換器接到PEMFC發(fā)電機輸出側，用來提升和穩(wěn)定PEMFC發(fā)電機輸出電壓供給后級的單相逆變器供電，同時實現(xiàn)高頻電氣隔離，本文主要進行前級DC／DC變換器中的高頻變壓器研究。

3 高頻變壓器的參數(shù)設計
3．1 高頻變壓器的技術指標
    根據(jù)已研制的5 kw PEMFC發(fā)電機的工作及其電氣特性要求，其技術指標如下：
    (1)輸入電壓：DC 50～90V；
    (2)工作頻率：20kHz；
    (3)輸出電壓：DC 380V；
    (4)輸入／輸出通過高頻變壓器隔離，變壓器效率為95％；
    (5)最大輸出功率：5kW。
3．2 高頻變壓器的參數(shù)設計
    對于高頻變壓器設計，常用的有兩種方法：第一種是先求出磁芯窗口面積Aw和磁芯有效截面積Ac的乘積AP(AP=Aw×Ac，稱為磁芯面積乘積)。根據(jù)AP值，查表找出所需磁性材料的編號，稱為AP法；第二種是先求出幾何參數(shù)，查表找出磁芯編號，再進行設計，稱為KG法。本文采用AP法，設計鐵氧體磁芯高頻變壓器的步驟如下：
    (1)輸入電壓幅值。忽略開關管導通壓降+線路壓降有：
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    (7)選擇最佳工作磁感應強度Bw，取最大工作磁感應強度Bm=0．16 T；由于變換器結構為全橋型，故選工作磁感應強度峰峰值Bw=2Bm=0．32 T。
    (8)電流密度系數(shù)Kj的確定通過查表可得，在磁芯種類為金屬疊片鐵心，溫升為50IC時，Kj=534，X=-0．12。
    (9)計算AcAw的值，取窗口的占空系數(shù)Kw=0．4，Kf=4．0(方波)：

    (13)計算次級繞組匝數(shù)每匝電壓系數(shù)為50／5=10，次級的輸出電壓為380 V，變壓器次級繞組電壓應為380／(0．4×2)=475 V，二極管電壓很小可以忽略，這時次級繞組應為N2=475／10=47．5，取整數(shù)48匝。
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3 高頻變壓器的仿真研究
    利用Matlab軟件的Simtdink平臺，依據(jù)圖3建立相應的仿真電路，對設計的高頻變壓器進行仿真研究。輸入電源為實驗室建立的PEMFC發(fā)電機模型，高頻逆變橋采用四個IGBT／Diodes搭接而成，并采用默認參數(shù)；高頻整流橋采用Diodes結構，并采用默認參數(shù)；高頻變壓器參數(shù)按照第4．2節(jié)設計進行設置。圖4給出了高頻變壓器初次級電壓、DC／DC變換器輸出電壓的仿真結果。從波形圖4(a)和(b)可以看出，高頻變壓器初次級電壓均能達到要求，但電壓波形的毛刺較大，產生了振蕩。從波形圖4(c)和(d)可以看出，DC／DC變換器輸出電壓在突加負載時略有跌落，突減負載時略有上升，但一個周期后即可回復到正常狀態(tài)。

4 高頻變壓器的實驗驗證
    DC／DC變換器后帶3 kW負載，圖5為帶載時高頻變壓器初級側電壓波形和次級側電壓波形。對于圖5(a)，示波器為衰減2倍檔，縱坐標電壓每小格為4 V，橫坐標每小格為25μs，經測量其正方向幅值約為49 V，其負方向44 V；對于圖5(b)次級側電壓波形，示波器為衰減10倍檔，縱坐標電壓每小格為50 V，橫坐標每小格為25μs，經測量其正方向幅值約為450 V，其負方向400V。經測量，帶載時的實際次初級匝數(shù)比為9．14，與所設計的匝數(shù)比48／5相比略有減小，這是由于帶載后電路中有電流流過，使高頻變壓器產生損耗，實際升壓能力降低。這說明所設計高頻變壓器帶載時能將PEMFC發(fā)出幅值偏低的直流電壓提升到較高的值。

5 結語
    本文設計了一個應用于PEMFC發(fā)電機的5 kW高頻變壓器，設計了高頻變壓器參數(shù)，并通過仿真對所設計的高頻變壓器進行了論證，最后在已研制的5 kW PEMFC發(fā)電機的基礎上進行了試驗研究，所設計的高頻變壓器能夠使PEMFC發(fā)出的電特性獨特的幅值相對偏低的直流電壓提升到一個較高的需要值。