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研究生: 詹子賢
Zi-xian Zhan
論文名稱: 應用於燃料電池之2kW直流-直流轉換器研製
Study and Implementation of a 2-kW DC-DC Converter for Fuel Cell Application
指導教授: 羅有綱
Yu-kang Lo
邱煌仁
Huang-jen Chiu
口試委員: 林景源
Jing-yuan Lin
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: 2014
畢業學年度: 102
語文別: 中文
論文頁數: 111
中文關鍵詞: 燃料電池三相隔離式直流-直流轉換器非對稱驅動數位信號處理器CAN BUS通訊
外文關鍵詞: Fuel cell, three-phase isolated DC-DC converter, asymmetrical driving, DSP, CAN BUS communication
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  • 由於燃料電池特性為低壓輸出,其輸出電壓會因負載改變而有劇烈的變化,因此為了提供負載穩定的電源,必須在燃料電池與負載之間加入升壓型直流/直流轉換器。本論文選用的架構為三相隔離型直流-直流升壓轉換器,用於低壓輸入、高壓輸出的應用場合,包含由三個半橋所組成的三臂切換開關、三個隔離變壓器、三相整流二極體與輸出電感電容所組成的濾波電路。三個變壓器是以Δ-Y接的方式連結,使一次側並聯、二次側串聯。此電路架構使低壓大電流的一次側有很好的分流效果,而在升壓轉換中則有高電壓轉換比例的優點。數位信號處理器則協調控制電能轉換器模組間的開關驅動訊號,並結合增強型控制區域網路(Enhanced Control Area Network, ECAN),控制輸出端的電流命令,使輸出功率由CAN BUS模組來執行功率調配的命令,並在回授端設計了兩種保護功能,分別為過電流及過電壓保護。功率開關的驅動方式使用了非對稱驅動的控制策略。
    最後本論文完成一台2 kW的三相隔離型直流-直流升壓轉換器,輸入電壓範圍從50 V到100 V,輸出電壓為380 V。實驗結果驗證此系統的可行性,轉換效率亦可達90%以上。


    The fuel cell stacks present a low output voltage with a wide range of variation at varying load. In order to provide a stable energy source, a step-up DC-DC converter must be inserted between the fuel cell stacks and the load. This thesis aims to study a three-phase isolated DC-DC boost converter for low input voltage/high output voltage applications. The studied converter consists of three half-bridge switch legs, three isolated transformers, a three-phase diode rectifier and an output LC filter. The three isolated transformers are of Δ-Y configurations with parallel-connected primary and series-connected secondary windings. Good current sharing performance can be achieved for low voltage/high current primary side. The studied step-up converter has the advantage of high voltage-transfer ratio. A digital controller is in charge of coordinating the gate driving signals among various power converter modules. Combined with the enhanced control area network (ECAN), the output current reference can be adjusted. Therefore, the output power can be suitably distributed according to the CAN BUS module’s command. To ensure the system stability and lifetime of the fuel cell, over-current protection and over-voltage protection are fulfilled. Asymmetrical control schemes are used for driving the power switches.
    Finally, a 2-kW three-phase isolated DC-DC boost converter prototype has been built and tested. The input voltage is from 50 V to 100 V, and the output voltage is 380 V. Experimental results are shown to verify the feasibility of the developed system. A high conversion efficiency over 90% can be achieved.

    摘要 i ABSTRACT ii 誌謝 iii 目錄 v 符號索引 viii 圖索引 xi 表索引 xiv 第一章 緒論 1.1 研究動機與目的 1.2 電路系統簡介 1.3 論文架構 1.4 論文大綱 第二章 微電網系統 2.1 微電網系統簡介 2.2 燃料電池 2.2.1 燃料電池簡介 2.2.2 燃料電池種類與比較 2.2.3 燃料電池發電系統架構 2.3 通訊介面 2.3.1 CAN BUS協議與編碼格式 2.3.2 CAN BUS架構與輸出準位 2.3.3 CAN BUS示範系統 第三章 三相隔離型直流-直流轉換器之架構與原理分析 3.1 三相隔離型直流-直流轉換器之電路架構 3.1.1 非對稱驅動信號 3.1.2 開關責任週期與變壓器一次側有效責任週期 3.2 三相隔離型直流-直流轉換器動作原理 3.3 三相隔離型直流-直流轉換器穩態分析 3.3.1 變壓器一次側電壓與二次側電壓的關係 3.3.2 輸出對輸入電壓的轉換比 3.3.3 輸出電感電流漣波 3.4 三相隔離型直流-直流轉換器小訊號分析 3.4.1 三相隔離型直流-直流轉換器等效電路 3.4.2 狀態空間平均法 3.4.3 控制器分析與設計 第四章 數位控制介紹與PID數位補償介紹 4.1 數位信號處理器TMS320F28035介紹 4.1.1 ADC模組介紹 4.1.2 EPWM模組介紹 4.1.3開關控制信號的設定 4.2 軟體流程規劃與說明 4.2.1 系統初始化流程圖 4.2.2 整體系統流程圖 4.3 微電網能源管理策略 第五章 三相隔離型直流-直流轉換器電路設計 5.1 三相隔離型直流-直流轉換器規格制定 5.1.1 功率開關 5.1.2 變壓器設計 5.1.3 輸出整流與濾波電路設計 5.2 輔助電源轉換器 5.2.1 控制IC UC3845介紹 5.2.2 變壓器設計 5.2.3 功率開關 5.2.4 輸出整流二極體 5.2.5 輸出濾波電容 5.3 開關驅動與取樣設計 5.3.1 驅動隔離IC介紹 5.3.2 輸入電壓取樣 5.3.3 輸出電壓取樣 5.3.4 輸出電流取樣 第六章 模擬與實驗結果討論 6.1 三相隔離型直流-直流轉換器模擬 6.2 電路實測波形 6.3 轉換效率量測 6.4 微電網系統整合測試 第七章 結論與未來展望 7.1 結論 7.2 未來展望 參考文獻

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    無法下載圖示 全文公開日期 2019/07/16 (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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