通讯基站大功率PEMFC 备用电源DC/DC 变换器的设计与应用

古云蛟，朱新坚，邵 孟，曹弘飞

0 引言

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种极具应用前景的电化学发电装置，可广泛运用于汽车动力、分布式发电、应急备用电源等领域。在过去的十几年当中，世界各国的科研机构与企业都纷纷投入大量资金与精力用于PEMFC的研发，与此同时PEMFC 在各个领域的应用也越来越广泛，被认为是最适合作为汽车动力和分布式发电的电源[1]。近年来，在通信基站中采用PEMFC 作为备用电源也越来越普及，通信基站中采用PEMFC 作为备用电源相对于传统备用电源具有可靠性高、维护成本低、使用寿命长、节能环保等优点[2]。

PEMFC 具有：1)功率密度与能量转换效率高；2)运行温度较低(50℃～80℃)；3)启动速度快等优点，但由于负载和气体流量等因素的变化导致PEMFC的输出电压具有不稳定性与多变性[3]，使得PEMFC 在实际应用时必须使用DC/DC变换器进行稳压控制。目前燃料电池汽车中大多采用双向DC/DC 变换器，以实现电池低压输出和高压直流母线之间的能量转换，同时匹配不同工况下燃料电池汽车的能量输出与回收。在分布式发电中则大多采用升压隔离型DC/DC 变换器，先对燃料电池输出进行升压，再通过逆变器进行逆变并网[4]。然而，针对通信基站中大功率PEMFC 备用电源DC/DC 变换器的研究[5]，在目前尚处于起步阶段。由于通信备用电源对电压的稳定性要求较高，因此，采用PEMFC 作为通信基站的备用电源时，不仅要优化PEMFC的性能，还要合理设计相应的DC/DC 变换器。本文针对某通信基站备用电源采用7KW PEMFC，给出了一个DC/DC 变换器的完整设计方案。

1 DC/DC 变换器主电路拓扑及其工作原理

针对本设计中的7KW PEMFC 低电压大电流的输出特性，其电气输出特性曲线，如图1所示：

图1 7KW PEMFC的电气输出特性

采用同步BUCK 变换器作为主电路拓扑。同步BUCK变换器因具有效率高、结构简单紧凑、易于控制等优点，在通信、IT、航天以及其它工业领域得到了广泛的应用[6]。同步BUCK变换器在实质上与普通的BUCK降压变换器相同，仅在原BUCK 电路的基础上将原先的续流二极管替换为一个可控的功率开关管，同步BUCK 变换器的拓扑结构，如图2所示：

图2 同步BUCK 降压DC/DC 变换器

其工作原理为：同步BUCK 变换器的开关管Q1 不断导通关闭，交替给电感L 充电，当开关管Q1 关断时，开关管Q2 就导通，来为电感续流[7]。尽管采用功率开关管代替续流二极管使得控制电路设计更加复杂，但功率开关管的快速的导通响应以及较低的导通电阻，使得变换器的转换效率大大提高，而且特别适合低电压大电流的用电场合[8]。如图3所示：

图3 同步BUCK 变换器连续导通模式波形

为同步BUCK 变换器电感电流连续导通模式下各器件的电压电流波形，其稳态工作过程分析[8]如下：

（1）当Q1 导通Q2 关断时，即在0＜t≤DT 期间，输入电源Uin不断给电感L 充电，此时变换器主回路根据基尔霍夫电压定律满足，公式（1）：

（2）当Q1 关断Q2 导通时，即在DT ＜ t ≤T 期间时，由电感L 向输出不断放电，此时变换器由基尔霍夫电压定律可知公式（2）

其中，T 是开关管Q1的工作周期，D 是开关管Q1 导通的占空比。由于电感L 是储能元件，在同步BUCK 变换器稳态工作条件下，一个工作周期T 内，电感L的充电量应等于放电量，即有公式（3）

故有公式（4）

式（4）表明，同步BUCK 变换器的输入输出电压之间只与占空比D 有关，因此只要不断合理调节开关管Q1的占空比D的大小，就能使得输出电压稳定在需要的设定值，占空比D 在0 到1 之间变化。

2 DC/DC 变换器控制单元和辅助单元设计

同步BUCK 电路是DC/DC 变换器的主电路，除此之外DC/DC 变换器还包括控制单元和辅助单元电路，其性能直接影响同步BUCK 电路的工作质量和整机的正常运行。控制单元和辅助单元电路与同步BUCK 电路共同构成DC/DC变换器的总体硬件电路。其系统结构图，如图4所示：

图4 DC/DC 变换器系统结构图

2.1 控制单元

控制单元选用TMS320LF2407 DSP[9]-[11]，它内部包含两个EV 模块EVA 和EVB，均有两个16 位通用定时器，8个16 位脉宽调制（PWM）通道，能够轻易的实现多路PWM控制波形的对称或非对称输出，以及快速的PWM 通道关闭（当外部引脚PDPINTx 出现低电平时）。另外它具有16 通道的A/D 转换器，并且转换器精度达到10 位，最小转换时间为500ns，可分别由两个EV 来触发。控制单元通过A/D转换器采集DC/DC 变换器高低端电流电压值，经过DSP 实现电流电压双闭环增量式PI 控制算法，控制EV 产生相应的PWM 控制信号。控制单元利用TMS320LF2407 DSP 包含的串行通信接口SCI 模块与上位机产实现RS232 串行通信，并实时检测变换器温度，控制散热风扇的运转，保障变换器正常工作。

2.2 DC/DC 变换器电流电压检测传感器

要实现DC/DC 变换器输出稳压控制，就需要采集输出端的电压电流值作为反馈控制信号，同样要实现输入端的过欠压保护和过流保护，也需要采集输入端的电流电压信号。本设计中，输入端和输出端的电压和电流采样分别用传感器LV25-P 和LT308-S7，LV25-P 连接示意图，如图5所示：

图5 LV25-P 连接示意图

可用以检测500V 以下的直流电压、交流电压以及脉冲电压，LT308-S7 连接示意图，如图6所示：

图6 LT308-S7 连接示意图

其原边额定有效电流为 300A，电流测量范围为0～ 500A。这两种传感器供电电压均在 12V 到 15V 之间，且都具有准确的精度和良好的线性度以及快速的响应能力和抗干扰能力，能很好地满足系统要求[12][13]。

2.3 IGBT 门极驱动电路

根据该 7KW PEMFC的输出特性，本设计选用FF450R12KT4 型号的IGBT 模块作为同步BUCK 变换器的开关管，它可承受的电流电压可达到450A/1200V[14]。由于它所需要的瞬时驱动电流较大，为了保证IGBT的驱动的可靠性和安全性，本设计中采用了双重 SCALE 驱动器2SD315A。2SD315A 能输出很大的峰值电流，具有很强的驱动能力和很高的隔离电压能力，它有两个驱动输出通道，适合驱动1200V 或1700V 等级的两个单管或一个半桥式的双单元IGBT 模块[15][16]。因此，2SD315A 非常适合作为FF450R12KT4的驱动单元，2SD315A 半桥驱动电路，如图7所示：

图7 2SD315A 半桥驱动电路

其中INA 为PWM 输入信号，INB 为使能信号，高电平有效，SO 为输出状态检测信号。另外，2SD315A 驱动模块还具有过流和短路保护功能，能够很好实现同步BUCK变换器的电压变换功能。

2.4 温度传感器

对于 7KW 功率级的大电流DC/DC 变换器，散热是重要的性能指标之一，因此要为DC/DC 变换器设置温度传感器，来检测温度变化；一方面为散热风扇转速大小的控制依据，另一方面当散热系统不足以满足散热要求时作为过温保护的触发信号。本设计采用可组网数字式温度传感器DS18B20，其温度检测范围为-55℃～+125℃，精度可以达到±0.5℃，不需要A/D 转换，直接将温度值转换为数字量，并使用单线串行通信方式与主控芯片交换数据[17]。DS18B20与主控芯片DSP 接线原理图，如图8所示：

图8 DS18B20 连接示意图

2.5 RS232 串口通信电路

TMS320LF2407 DSP 内部具有两个相同的SCI 模块，SCIA 和SCIB。SCI 模块的接收器和发送器都带有16 级深度的FIFO，并且接收器和发送器都具有独立的使能和中断位，可以在半双工模式下独立操作，也可以在全双工模式下同时操作。基于DSP 两个SCI 模块设计通信RS232 串口，选用MAX3232 芯片[18]，利用双电荷泵实现3V～5.5V电压供电时，转换到+5.5V（倍压电荷泵）和-5.5V（反相电荷泵）输出电压，可以保证数据传输速率至少在120kbps，其具体设计电路，如图9所示：

图9 RS232 串口电路

3 DC/DC 变换器控制软件设计

本设计方案中软件的开发环境为CCS（Code Composer Studio），它是TI 公司专门为DSP 软件开发应用设计的集编译、仿真、下载为一体的DSP 开发软件，基于CCS 可以通过编程对DSP 内设进行操作，实现相应的功能。基于DSP实现同步BUCK 变换器的实时控制软件程序主要包括两个方面，其一就是实现变换器输出电压的稳压调节，其二就是实现变换器工作过程中的过欠压保护、过流保护、过温保护等功能。控制软件的流程图，如图10所示：

图10 控制软件流程图

4 DC/DC 变换器性能测试

为了验证本文设计的DC/DC 变换器的性能，我们研制了一台DC/DC 变换器实验样机。实验样机，如图11所示：

图11 DC/DC 变换器样机

电路主要参数为：输出电感 L=0.5mH；输出电容C=65uF；测试输入电压Uin=43V～110V；开关频率fs=20KHz；功率开关管选用英飞凌FF450R12KT4 型号的双IGBT 模块，PWM 驱动电压为±15V，驱动电路输出的PWM 控制波形，如图12所示：

图12 PWM 控制信号电压波形

为DC/DC变换器的输出电压电流的波形，如图13所示：

图13 输出电压电流波形

5 结束语

本文基于同步BUCK 变换器拓扑设计了某通讯基站7KW PMMFC 备用电源的 DC/DC 变换器，采用TMS320LF2407 DSP 作为主控芯片，运用电压电流双闭环增量式PI 控制，实现了对DC/DC 转换器的全数字闭环控制，并且使得该DC/DC 变换器具有过欠压保护、限流保护、过温保护等功能。通过对相关元器件的合理设计与选型，最终针对该7KW PEMFC 制成了DC/DC 变换器的样机，然后对样机进行了性能测试实验。实际测试结果表明，本文设计的DC/DC 转换器能够很好的适应该7KW PEMFC的大电流输出特性，并实现PEMFC的输出电压的调节功能，对于不同的输入电压变化都能保持输出电压的稳定，为通讯基站大功率PEMFC 备用电源用DC/DC 变换器的设计提供了一种实际可用的方案，同时也为进一步研究各个功率级别的PEMFC的DC/DC 变换器积累了重要经验。

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