1、武汉理工大学本科生毕业设计（论文 )任务书 学生姓名 ： 专业班级： 自动化 指导教师： 工作单位： 自动化学院 设计 (论文 )题目 : 燃料电池电源系统滤波器设计 设计（论文）主要内容： 了解燃料电池输出特性，以 boost 和 buck 电路为原型，分别建立滤波器数学模型。以 buck 为例：输入 6080V，输出 48V，功率 5kw，电压纹波 1%，电流纹波 10%；以 boost为例：输 入 3045V，输出 48V，功率 5kw，电压纹波 1%，电流纹波 10%。在设计好的基础上，进行仿真分析。 要求完成的主要任务 : 1学习燃料电池电源系统输出特性； 2分析滤波器用磁芯材料的特
2、性及区别； 3研究磁滞曲线、工作磁密、磁导率、能量损耗和工作频率等参数之间的联系； 4讨论漏感、分布电容及温度等对滤波器的影响； 5以 boost 和 buck 电路为原型，分别建立滤波器数学模型； 6在 Matlab 中进行仿真分析； 7撰写毕业设计论文，字数不低于 15000； 8完成外文文献翻译，字数约为 10000左右。 必读参考资料： 1 林飞、杜欣著 电力电子应用技术的 MATLAB 仿真 北京 ：中国电力出版社， 2009 2 Abraham I.Pressman 著，王志强等译 开关电源设计 .北京 ： 电子工业出版社 ， 2010 3 王兆安、黄俊著 电力电子技术 北京：机械
3、工业出版社， 2000 4 陈坚著 电力电子学 电力电子变换和控制技术 北京：高等教育出版社 2004 指导教师签名： 系主任签名： 院长签名 （ 章 ） ： 武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告 1、目的及意义（含国内外的研究现状分析） 近些年来，燃料电池电源系统运用的越来越广泛，因为与常规发电相比，燃料电池具有以下优点：（ 1）理论发展效率高，发展潜力大。（ 2）小型高效，提高供电可靠性。（ 3）污染物和温室气体排放量较少。（ 4）低噪声。（ 5）电池排气中的热量可用多种方法回收。（ 6）电力质量高。（ 7）变负荷率高。（ 8）可用多种燃料。（ 9）模块化设计。（ 10）占地面积小。
4、（ 11）自动化程度高。由于燃料电池具有以上优点，因此现在我们开始研究利用 燃料电池进行发电。 从燃料电池的静态输出特性中可以看出，随着电流密度的增加，燃料电池输出电压有明显的下降。为了获得所需要的恒定纯净的电压与电流，可采用 DC/DC 的 buck 和 boost电路。其中滤波器的设计是很关键的，因为滤波器的主要目的在于抑制高频开关产生的电压和电流纹波。 在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。 1917 年美国和德国科学家分别发明了 LC 滤波器，次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。 20
5、世纪 50 年代无源滤波器日趋成熟。自 60 年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为 70 年代以后的主攻方向。导致 RC 有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展，到 70 年代后期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用。 80 年代，致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。 90年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。 当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行。 我国广泛使用
6、滤波器是 50 年代后期的事，当时主要用于话路滤波和报路滤波。经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐，但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离。 20 世纪 80 年代技术改造一个重大课题是实现各种电子系统全面大规模集成（ LSI）。使用最多的滤波器成为 “拦路虎 ”， RC 有源滤波器不能实现 LSI，无源滤波器和机械滤波器更不用说了，于是，人们只能另辟新径。 50 年代曾有人提出 SCF 的概念，由于当时集成工艺不过关，并没有引起人们的重视。 1972年，美国一个叫 Fried 的科学家发表了
7、用开关和电容模拟电阻 R，说 SCF 的性能只取决于电容之比，与电容绝对值无关，这样才引起人们的重视。 2、基本内容和技术方案 基本内容： 了解燃料电池电源系统的特性，为 了 获得稳定的电压， 需要设计 DC/DC 滤波电路，同时还考虑了 DC/DC 高频电源干扰源的产生及抑制措施，滤波电路是 以 buck 和 boost电路为基本电路的， 设计中需要计算参数值以满足设计要求， 并 在 MATLAB 中 建立数学模型进行仿真分析 ，以检查设计电 路的滤波效果 。 技术方案： （ 1）了解燃料电池电源系统的构成和特性； （ 2）分析了 buck 电路和 boost 电路干扰来源； （ 3）计算
8、buck 电路电感和电容值并进行仿真，看是否符合要求； （ 4）计算 boost 电路电感和电容值并进行了仿真，看是否符合要求； （ 5）在计算了电路参数和对电路进行了仿真的基础上，再考虑实际运用中，电感和电容值的选取问题，比如漏感对电感的影响，电感磁芯的选择，分布电容对电容的选择，电压等对电容的影响等。 3、进度安排 第 1 2周： 毕业实习，撰写毕业实习报告； 第 3 4周： 翻译外文资料，初步确定方案，完成开题报告； 第 5 周： 确定最终方案，并进行可行性分析； 第 6 9周： 滤波器各元件参数的计算及计算； 第 10 11 周： 综合调试，根据结果完善系统； 第 12 14 周： 完
9、成论文撰写； 第 15 周： 论文答辩； 第 16 周： 论文装订 4、指导教师意见 同学调研充分，研究内容充实，技术方案明确可行，现已经具备开始毕业设计的条件。该生能达到预期的目标，同意进入设计阶段。 指导教师签名： 年 月 日 目录 摘要 . I ABSTRACT . II 1 绪论 . 1 1.1 研究背景及意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 3 1.3 主要研究内容 . 4 2 DC/DC 高频电源干扰源的研究 . 6 2.1 BUCK电路的电磁干扰及抑制措施 . 6 2.1.1 Buck 电路的电磁干扰 . 6 2.1.2 Buck 电路的电磁干扰抑制措施 . 7 2.2 BO
10、OST 电路的电磁干扰及抑制措施 . 9 2.2.1 Boost 电路的电磁干扰 . 9 2.2.2 Boost 电路的电磁干扰抑制措施 . 9 2.3 纹波的产生及抑制措施 . 10 3 DC/DC 滤波电路的设计 . 11 3.1 BUCK滤波电路的设计 . 11 3.1.1 Buck 滤波电路工作原理 . 11 3.1.2 Buck 电路参数计算 . 13 3.1.3 Buck 电路仿真模型的建立 . 13 3.1.4 Buck 电路仿真波形及分析 . 15 3.2 BOOST 滤波电路的设计 . 15 3.2.1 Boost 滤波电路的工作原理 . 15 3.2.2 Boost 电路参
11、数计算 . 17 3.2.3 Boost 电路仿真模型的建立 . 18 3.2.4 Boost 电路仿真波形及分析 . 19 4 滤波电感和 滤波 电容的设计 . 21 4.1 滤波电感的设计 . 21 4.1.1 实际电感的特性 . 21 4.1.2 磁性材料的磁特性 . 22 4.1.3 克服电感寄生电容的方法 . 23 4.2 电感磁芯的选择 . 24 4.2.1 磁芯材料的比较 . 24 4.2.2 铁氧体特性 . 25 4.2.3 电感磁芯的形状 . 27 4.3 滤波电容的设计 . 27 4.3.1 电容的实际特性 . 27 4.3.2 对电容的影响因素 . 29 结束语 . 33
12、 参考文献 . 34 附 录 . 35 致 谢 . 37 武汉理工大学毕业设计 (论文 ) I 摘要 随着燃料电池电源系统越来越多的运用在生产和生活中，人们对其关注程度也越来越大了。但是由于 燃料电池输出特性 很软，以及 高频开关电源带来的严重电磁干扰 ， 很多情况下都需要通过滤波环节来获得所需要的稳定电压和消除干扰 。本文针对 燃料电池电源系统来设计滤波器 。 本文 以 buck 和 boost 变换器 为基本电路来通过参数设置获得希望的滤波效果。 在阐述 燃料电池输出特性和了解了燃料电池电源系统构成的基础上 ，提出了利用 buck和 boost电路来滤波的思路 。 首先， 论文 研究了 b
13、uck 和 boost 电路开关电源存在的干扰和采取的抑 制措施；然后，在对 buck 和 boost 电路原理有了深刻理解的基础上，按照对输出电压和电流纹波的 要求计算 buck 和 boost 电路中电感和电容的参数并分别建立仿真模型进行仿真，获得仿真波形后再看波形是否满足纹波要求，从而看出滤波的效果；最后，为了满足上述 buck 和 boost 电路的参数要求，电感和电容的 选择 是一个关键 ， 电感从磁芯，形状等进行选择，并研究了寄生电容对电感的影响，电容选择时，考虑了温度、电压等对电容的影响， 从而获得一个完整的滤波器设计的要求。 综上所述， 本文进行了 buck 和 boost 两
14、种电路的滤波设计 ，并通过仿真得出了满意的效果，论文工作的完成会对燃料电池电源系统更广泛的运用具有重要的意义。 关键词 ： 燃料电池电源系统 ； buck 滤波 ； boost 滤波 ； MATLAB 武汉理工大学毕业设计 (论文 ) II Abstract With the fuel cell power systems more and more used in the production and life, people pay more great attention on the development of it. However, due to the fuel cell ou
15、tput characteristic is very soft, and high-frequency switching power is with serious electromagnetic interference. In many cases, we need to get through the filtering part of the required stability voltage and eliminate the interference. This paper design filter based on the fuel cell power system.
16、In this paper, we consider buck and boost converter circuit as the basic circuit, and get the desired filtering effect by setting parameters. By explaining the output characteristics of fuel cells and understanding the composition of the fuel cell power system, the idea is proposed based on the use
17、of buck and boost circuits. Firstly, the paper study of the interference and suppression measures in buck and boost switching power supply circuits; and then, based on the deep understanding of principles in the buck and boost circuits , we calculate inductance and capacitance parameters in buck and
18、 boost circuits by ripple requirements of output voltage and current, and build simulation models to simulate, observe simulation waveforms and then see if the ripple waveform meets the requirements, see the filtering effect; Finally, in order to meet the above parameters of buck and boost circuits
19、required, the inductor and capacitor selection is a key, we choose inductance from the core and shape, and study the impact of parasitic capacitance of the inductance, in capacitance selection, we take temperature and voltage of the capacitor into account, resulting in a complete filter Design. In s
20、ummary, this paper design the buck and boost filter circuit, and obtain satisfactory results by simulation, the paper will have great significance to fuel cell power systems widely used. KEYWORDS: EMI filter; DC to DC converter; switch power; MAT 武汉理工大学毕业设计 (论文 ) 1 1 绪论 当前燃料电池电源系统的应用越来越广泛，因而人们对其关注程度
21、也 越来越大。但是燃料电池输出特性较软，因此设计滤波器来获得所需稳定的电压和电流就显得非常必要，这将对燃料电池电源系统进一步在生产和生活中的应用有着广泛而深远的意义。 1.1 研究背景及意义 近些年来，燃料电池电源系统运用的越来越广泛， 与其它发电方式相比，燃料电池发电具有以下优点： 效率高， 燃料电池的能量转换效率比热机能量转换效率高很多 ；污染小，噪音低，燃料电池作为发电装置使用时，其突出优点是污染排放低，对于氢燃料电池，其发电生成物只有水，可实现零污染， 此外， 燃料电池发电无传统热机引擎等机械传动部分，故运行环境无 噪声污染；模块化、可靠性高， 燃料电池发电装置可以根据用户需要灵活配置
22、输出电压和 功率容量，具有很好的积木化特性，采用模块化结构可方便组装和维修， 与燃料涡轮机循环系统构 或内燃机相比，燃料电池系统其传动部件很少，因而系统更加安全可靠； 功率 密度高、可移动性好， 燃料电池发电功率密度较高发电装置可根据需要灵活配置，体积 小，环境适应性强，适合城市集中用电地区域，并易于实现便携、移动；适应能力强， 燃料电池可以使用多种多样的燃料，如天然气、煤气、 甲醇、乙醇、汽油以及其它传动发电不易使用的低质燃料，适用能力强 1 。 下图 1-1显示的是燃料电池在标准条件下给以固定的燃料流量时，典型的燃料电池电流密度和输出电压的关系。这是在稳定的输出电流电压的情况下的静态特性。
23、从图上可以看到，随着电流密度的增加，燃料电池输出电压有明显的下降，燃料电池电压特性可明显地分为三个不同特性的区域：活化区、欧姆极化区和密集极化区。其中，活化区是燃料电池在产生电流前使反应物激活所付出的电压损失其电压损失随着电流密度的增加而指数增大，但其主要是在电流较小的阶段表现突出，当电流较大时活化电压损失相对地不再明显；欧姆 极化区是电流经燃料电池电解质和电解材料时的内阻电压损失，符合欧姆定律，随着电流密度的增加电池端电压呈现近似线性下降的规律；密集极化区是当电流密度的增加达到一定程度时，反应物进出电极表面参与反应的流量受限因而造成电压快速下降 2 。通常燃料电池正常工作时处于欧姆极化区内，
24、电压随负载变化较大。 燃料电池的动态输出特性主要表现在输出响应慢，前述燃料电池的静态特性是在固定的燃料压力与流量条件下的电压电流特性。实际应用中，负载的持续变化将对前述条件产生影响，控制系统需根 据运行状况做响应的调节 3 。当负载条件变化时，如负载电流突然加大，燃料电池系统需对燃料流量、压力作调节，而这一调节过程往往具有较大的时间常数，才能适应负载要求。如果仅有燃料电池来供电，负载突变还易引起燃料电池寿命下降。武汉理工大学毕业设计 (论文 ) 2 因此电源系统需配备能量缓冲环节，如蓄电池等。 图 1-1 燃料电池的静态输出特性 为了获得所需要的恒定纯净的电压与电流，可采用 DC/DC 的 buck 和 boost 电路。其中滤波器的设计是很关键的， 因为滤波器的主要目的在于抑制高频开关产生的电压和 电流纹波。 在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣 。因此设计燃料电池电源系统的滤波系统， 将充分发挥燃料电池的优点，满足生产的需要。 而燃料电池电源系统的组成如下图 1-2 所示，一种是升压 boost 电路，一种是降压buck 电路 。 图 1-2 燃料电池电源系统的构成
