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研究生: 黃大為
Da-wei Huang
論文名稱: 應用於燃料電池之柔切倍壓整流直流/直流轉換器研製
Study and Implementation of a DC/DC Converter with Soft-Switching Voltage Doubler Rectification for Fuel Cell Applications
指導教授: 羅有綱
Yu-Kang Lo
邱煌仁
Huang-Jen Chiu
口試委員: 歐勝源
Sheng-Yuan Ou
林忠義
none
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電資學院 - 電子工程系
Department of Electronic and Computer Engineering
論文出版年: 2012
畢業學年度: 100
語文別: 中文
論文頁數: 103
中文關鍵詞: 燃料電池全橋直流/直流轉換器電流饋入倍壓整流電路零電壓切換
外文關鍵詞: Fuel cells, full-bridge DC/DC converter, current-fed, voltage-doubler rectifier, zero-voltage switching
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近年來,如風力、太陽能和燃料電池等潔淨能源,在各方積極研究下已發展出各種再生能源發電系統。其中,燃料電池有高能量密度、大電流輸出能力、潔淨發電以及高效率操作的優點,然而由於在各種不同負載、溫溼度和電化學反應條件下,燃料電池係低壓輸出且會有相當大的輸出電壓範圍變化特性,為了提供負載穩定電壓源,因此必須在燃料電池與負載之間加入升壓型直流/直流轉換器。
本論文研究內容為分析具柔切特性之電流饋入式全橋直流/直流轉換器,在二次側使用倍壓整流電路並與傳統硬切轉換器作比較。透過外加的柔切機制,可實現零電壓切換,藉此提升電路之效率。本文所完作的1.2 kW雛形轉換器,其實驗結果之波形與理論十分接近。


Recently, clean energy resources such as wind powers, photovoltaic systems and fuel cells have been exploited for developing renewable electric power generation systems. Among them, the fuel cells feature advantages such as high energy density, high current output capability, clean electricity generation and high-efficiency operation. However, the fuel cell stacks present a low voltage output and wide range of voltage variations under different load, temperature, humidity, and electrochemical reaction conditions. In order to provide the load with a constant high voltage DC bus, a step-up DC/DC converter must be added between the fuel cell stacks and the load.
In this thesis, a current-fed full-bridge DC/DC converter with soft switching and secondary voltage-doubler rectification is studied. Besides, it is compared with a traditional hard-switching counterpart. By adding the external soft-switching cell, the zero-voltage switching (ZVS) can be achieved. Thus, the conversion efficiency is improved. The recorded experimental waveforms of a 1.2-kW prototype converter are very similar to the theoretical analysis.
Keywords: Fuel cells, full-bridge DC/DC converter, current-fed, voltage-doubler rectifier, zero-voltage switching.

第一章 緒論 1 1.1研究動機與目的 1 1.2研究內容 2 1.3本論文架構 7 第二章 燃料電池 9 2.1燃料電池發展史 9 2.2燃料電池發電原理與特點 12 2.3燃料電池種類與運用 16 第三章 硬性切換與柔性切換技術 19 3.1硬性切換 19 3.1.1脈波寬度調變 19 3.1.2功率開關寄生元件 22 3.1.3變壓器寄生元件 23 3.1.4切換損失 24 3.2柔性切換 24 3.2.1串聯諧振電路 25 3.2.2並聯諧振電路 26 3.2.3零電壓切換 27 3.2.4零電流切換 30 第四章 零電壓切換電流饋入式全橋轉換器動作原理與分析 33 4.1轉換器動作原理與分析 33 4.1.1基本動作原理 35 4.1.2連續導通模式之穩態分析 38 4.2 零電壓切換電流饋入式全橋CCM與DCM邊界條件 46 4.3 非理想條件下電流饋入式全橋轉換器 47 第五章 電路設計製作 51 5.1零電壓切換電流饋入式全橋轉換器電路設計流程 51 5.1.1電路規格 51 5.1.2變壓器設計 52 5.1.3電感器設計 54 5.1.4輸出濾波電容設計 55 5.1.5功率開關設計 56 5.1.6輸出整流二極體設計 57 5.1.7輔助電感設計 58 5.1.8輔助開關設計 59 5.2控制電路設計 60 5.2.1控制IC : TL494 60 5.2.2隔離IC:HCPL-3120 62 5.2.3 PWM延遲訊號設計 63 5.2.4輔助開關QAUX定周期設計 69 第六章 電路模擬與實驗結果 70 6.1電路模擬 70 6.1.1零電壓切換電流饋入式全橋轉換器之模擬 70 6.2電路實測波形 74 6.2.1硬切電流饋入式全橋轉換器 74 6.2.2零電壓切換電流饋入式全橋轉換器 84 6.3轉換效率量測 94 6.3.1硬切電流饋入式全橋轉換器效率量測 94 6.3.2零電壓切換電流饋入式全橋轉換器效率量測 95 第七章 結論與未來展望 97 7.1結論 97 7.2未來展望 98 參考文獻 100

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