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研究生: 童永平
Yung-Ping Tong
論文名稱: 應用於燃料電池之數位控制直流/直流轉換器研製
Study and Implementation of a Digital-Controlled DC-DC Converter for Fuel Cell Applications
指導教授: 羅有綱
Yu-Kang Lo
邱煌仁
Huang-Jen Chiu
口試委員: 劉益華
Yi-Hua Liu
歐勝源
Sheng-Yuan Ou
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: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 134
中文關鍵詞: 燃料電池電流饋入全橋直流/直流轉換器主動箝位數位控制
外文關鍵詞: Fuel cell, Current-fed, Full-bridge DC/DC converter, Active clampe, Digital control
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  • 燃料電池與電力電子技術上的迅速發展,促使燃料電池動力系統上也取得了重大進展。燃料電池的特性不同於傳統的化學製成電池,當燃料電池連結上負載後其輸出電壓會迅速的下降,當輸出電流上升時其輸出電壓也逐漸下降。在燃料電池電力系統裡,總是需要低電壓輸入/高電壓輸出之轉換器,以得到高效率與好的電壓調節率。本論文中,研究出具數位控制之電流饋入全橋直流-直流轉換器,且能應用於燃料電池上,其工作原理與設計上的考慮都將在此分析與討論。在此實作出一台具2.5 kW標定功率的實驗原型機並且測試,其輸入電壓為44 V至80 V,輸出電壓為365 V,而原型轉換器使用數位訊號處理器(Digital Signal Processing, DSP)晶片TMS320F2808實現數位控制。在此為了能減少元件的應力與提昇其轉換效率,而實現主動箝位電路。在此原型轉換器的實驗結果將呈現與討論,以用於驗證研究計畫的可行性。


    The rapid advances in fuel cell technology and power electronics have enabled the significant developments in fuel cell power system. The fuel cell characteristics are different from those of the traditional chemical-powered battery. The fuel cell output voltage drops quickly when first connected with a load and gradually decreases as the output current rises. In fuel cell power systems, a low voltage input/ high voltage output DC/DC converter is always needed to obtain high conversion efficiency and good voltage regulation. In this thesis, a digital-controlled current-fed full-bridge DC-DC converter is studied for fuel cell applications. The operating principles and design considerations are analyzed and discussed. A laboratory prototype with 2.5 kW rated power has been built and tested. The input voltage is from 44 V to 80 V and the output voltage is 365 V. A DSP chip TMS320F2808 is used to realize the digital controller of the prototype converter. An active-clamp circuit is also realized to reduce the device stresses and raise the conversion efficiency. Experimental results of the prototype converter are shown and discussed to verify the feasibility of the studied scheme.

    摘 要 I Abstract II 誌 謝 III 目 錄 IV 圖索引 VIII 表索引 XIV 第一章 緒論 1 1.1前言 1 1.2研究動機與目的 2 1.3研究內容 3 第二章 燃料電池 10 2.1燃料電池的發展 10 2.2燃料電池發電原理與特點 10 2.3燃料電池種類與運用 15 第三章 電流饋入式全橋轉換器動作原理與分析 19 3.1電流饋入式全橋轉換器概述 19 3.1.1基本動作原理 20 3.1.2連續導通模式下之穩態分析 22 3.2電流饋入式全橋轉換器CCM與DCM之邊界條件 26 3.3非理想條件下電流饋入式全橋式轉換器 27 第四章 電流饋入式全橋轉換器分析與設計 30 4.1電流饋入式全橋轉換器電路設計 30 4.1.1電路規格 30 4.1.2變壓器設計 31 4.1.3電感器設計 32 4.1.4輸出濾波電容設計 33 4.1.5功率開關設計 34 4.1.6輸出整流二極體設計 34 4.2輔助電源轉換器電路設計 35 4.2.1控制IC UC3845介紹 35 4.2.2類比控制輔助電源規格 36 4.2.2.1變壓器設計 37 4.2.2.2功率開關設計 39 4.2.2.3輸出整流二極體設計 39 4.2.2.4輸出濾波電容設計 40 4.2.3數位控制輔助電源規格 41 4.2.3.1變壓器設計 42 4.2.3.2功率開關設計 43 4.2.3.3輸出整流二極體設計 44 4.2.3.4輸出濾波電容設計 44 第五章 數位控制器分析與設計 46 5.1數位訊號處理器TMS320F2808之概述 46 5.2數位補償器設計流程 48 5.3軟體流程規劃 55 5.4驅動與取樣電路設計 58 5.4.1驅動電路設計 59 5.4.2取樣電路設計 59 第六章 電流饋入式全橋電路模擬與實驗結果 63 6.1電路模擬 63 6.1.1電流饋入式全橋轉換器之模擬 63 6.2電路實測波形 68 6.2.1電流饋入式全橋轉換器 68 6.2.2類比控制輔助電源Vcc1&Vcc2 83 6.2.3數位控制輔助電源Vcc3&Vcc4 91 6.3整機電路轉換效率量測 99 第七章 主動箝位電路設計 101 7.1電路概述 101 7.2電路穩態狀態分析 102 7.3諧振電感與箝位電容分析 116 第八章 主動箝位電路模擬與實驗結果 118 8.1電路模擬 118 8.1.1主動箝位電流饋入式全橋轉換器之模擬 118 8.2主動箝位電路實測波形 122 8.2.1主動箝位電流饋入式全橋轉換器 122 8.3主動箝位電路整機轉換效率量測 126 8.4主動箝位之電路之比較 127 第九章 結論與未來展望 129 9.1結論 129 9.2未來展望 130

    [1] 衣寶廉著,陳憲偉校訂,科技大浪潮-燃料電池,五南圖書出版公司,民國92年。
    [2] 石井弘毅著、林羿妏譯,圖解燃料電池,世茂出版有限公司,民國97年。
    [3] 衣寶廉編著,黃昭榮、林修正校訂,燃料電池-原理與應用,五南圖書出版公司,民國94年。
    [4] 台灣燃料電池夥伴聯盟,http://www.tfci.org.tw/aboutfc/about1.asp
    [5] T. Gilchrist, “Fuel cell to the fore,” IEEE Spectrum, vol. 35, no. 11, pp. 35-40, 1998。
    [6] 林立韋,用於燃料電池電源系統之雙向直流/直流轉換器,私立中原大學電機工程學系博士學位論文,民國96年。
    [7] 黃鎮江編著,燃料電池,全華科技圖書股份有限公司,民國94年。
    [8] M. W. Ellis, M. R. Von Spakovsky and D. J. Nelson, “Fuel Cell System : Efficient, Flexible Energy Conversion for the 21st Century,” Proceedings of the IEEE, vol. 89, no. 12, pp. 1808-1818, 2001.
    [9] X. Yu, M. R. Starke, L. M. Tolbert and B. Ozpineci, ”Fuel Cell Power Conditioning for Electric Power Applications a Summary,” IET Electric. Power Appl., vol. 1, no. 5, pp. 643-656, September 2007.
    [10] 溫武義編譯,燃料電池-原理與應用,全華科技圖書股份有限公司,民國93年。
    [11] 康哲維,應用於質子交換膜燃料電池之多相隔離式直流-直流轉換器之研究,國立台灣科技大學電子工程研究所碩士論文,民國99年。
    [12] 戴承鴻,應用於燃料電池之3kW具倍壓輸出直流/直流轉換器之研製,國立台灣科技大學電子工程研究所碩士論文,民國100年。
    [13] 梁適安編著,交換式電源供給器之理論與實務設計,全華科技圖書股份有限公司,民國95年。
    [14] 梁適安編譯,高頻交換式電源供應器原理與設計,全華科技圖書股份有限公司,民國94年。
    [15] V. Yakushev, V. Meleshin and S. Fraidlin, “Full-Bridge Isolated Current Fed Converter with Active Clamp,” APEC., Vol. 1, pp. 560-566, March 1999.
    [16] A. I. Pressman, Switching Power Supply Design, Second Edition, McGraw-Hill International, 1998.
    [17] A. Averberg, K. R. Meyer and A. Mertens, “Current-Fed Full Bridge Converter For Fuel Cell Systems,” IEEE PESC 2008., pp. 866-872, June 2008.
    [18] X. Kong, L. T. Choi and A. M. Khambadkone, “Analysis and Control of Isolated Current-Fed Full Bridge Converter in Fuel Cell System,” The 30th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, vol. 3, pp. 2825-2830, November 2004.
    [19] X. Kong and A. M. Khambadkone, “Analysis and Implementation of a High Efficiency, Interleaved Current-Fed Full Bridge Converter for Fuel Cell System,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 22, no. 2, pp. 543-550, March 2007.
    [20] K. Wang, C. Y. Lin, L. Zhu, D. Qu, F. C. Lee and J. S. Lai, “Bi-Directional DC to DC Converters for Fuel Cell System,” IEEE Power Electronics in Transportation, pp. 47-51, 1998.
    [21] N. Mohan, T. M. Undeland and W. P. Robbins, Power Electronics Converters, Applications and Design,” John Wiley & Sons Inc., 3rd Edition, 2003.
    [22] R. W. Erickson and D. Maksimovic, “Fundamentals of Power Electronics,”Second Edition, Kluwer Academic Publishers Group, 2001.
    [23] Hitachi Global,http://www.hitachi.com
    [24] Texas Instruments, UC3845 Current Mode PWM Controller, Texas Instruments, 2007
    [25] Application Handbook, TDK Ferrite Cores for Power Supply and EMI/RFI Filter, TDK Corporation, July 1990
    [26] Texas Instruments, “TMS320x28xx,28xxx DSP Reference Guide, ” Datasheet, 2004.
    [27] Texas Instruments, “TMS320F2809,TMS320F2808,TMS320F2806, TMS320F2802, TMS320F2801,TMS320C2802,TMS320C2801,and TMS320F2801xDSPs Data Manual, ” Datasheet, 2003.
    [28] Texas Instruments, “Designing a TMS320F280x Based Digitally Controlled DC-DC Switching Power Supply , ” Datasheet, 2005.
    [29] Texas Instruments, “Average Current Mode Controlled Power Factor Correction Converter using TMS320LF2407A, ” Datasheet, 2005.
    [30] C. W. Chang, Y. T. Lin and Y. Y. Tzou, “Digital Primary-Side Sensing Control for Flyback Converters, ” PEDS ,pp. 689 -694, 2009.
    [31] Hewlett Packard, “2.0 Amp Output Current IGBT Gate Drive Optocoupler, ” Datasheet.
    [32] E. S. Park, S. J. Choi, J. M. Lee and, B. H. Cho, “A Soft-switching Active-Clamp Scheme for Isolated Full-Bridge Boost Converter, ”APEC , Nineteenth Annual IEEE , vol.2 , pp. 1067 - 1070 ,2004.
    [33] V. Yakushev, V. Meleshin, S. Fraidlin, “Full-Bridge Isolated Current Fed Converter with Active Clamp, ” APEC, Fourteenth Annual , vol.1 , pp. 560 - 566 , 1999.
    [34] O. A. Ahmed and J. A. M Bleijs, “High-Efficiency DC-DC Converter for Fuel Cell Applications : Performance and Dynamic modeling, ” ECCC , pp. 67 – 74 , 2009 .
    [35] A. Vazquez-Blanco, C. Aguilar-Castillo, F. V. Canales-Abarca* and J. E. Arau-Roffiel, “1kW Fuel Cell Power Conditioner Suited for Renewable Stand-Alone Power Supply Systems, ” Power Electronics Congress (CIEP) , 12th International , pp. 221-225 , 2010 .
    [36] 鄭玉南,返馳式轉換器緩振電路研究,國立台灣科技大學電子工程研究所碩士論文,民國95年。

    無法下載圖示 全文公開日期 2013/07/11 (校內網路)
    全文公開日期 本全文未授權公開 (校外網路)
    全文公開日期 本全文未授權公開 (國家圖書館:臺灣博碩士論文系統)
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