燃料电池电源系统滤波器设计

武汉理工大学本科生毕业设计（论文武汉理工大学本科生毕业设计（论文) )任务书任务书 学生姓名：学生姓名： 专业班级：专业班级： 自动化 指导教师：指导教师： 工作单位：工作单位： 自动化学院 设计设计( (论文论文) )题目题目: : 燃料电池电源系统滤波器设计 设计（论文）主要内容：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，电压纹波时，电感的阻抗呈现电容阻抗的特性，阻抗随 L Z 0 频率升高而降低。频率是电感器的谐振频率 0 （4- 2 0 2 = LR C L C 2） 图 4-3 实际电感的频率特性 说明 1：实际电感在谐振频率以下比理想电感的阻抗更高，在谐振点达到最大。利用 这个特性，可以通过调整电感的电感量和绕制方法使电感在特定的频率上谐振，从而抑 武汉理工大学毕业设计(论文) 23 制特定频率的干扰。 说明 2：开放磁芯会产生漏磁，因此会在电感周围产生较强的磁场，对周围的电路产 生干扰。为了避免这个问题，尽量使用闭合磁芯。 说明 3：与漏磁现象相反的是开放磁芯电感对外界的磁场也十分敏感，因此，要注意 电感拾取外界噪声而增加电路敏感度的问题。 电感线圈匝数的估算：拿到磁芯后，可以现在这个磁芯上绕 9 匝，用电感表测量其 电感量，设读数为，如果需要的电感量为 L，则应绕制的匝数为： 0 LN （4- 2/1 0) /(3LLN 3） 4.1.2 磁性材料的磁特性 一个磁芯线圈的电压电流关系，来源于磁芯材料的磁感应强度与磁场强度的关系， 即 B-H 关系，若要了解磁性材料的磁特性，就要了解它的特性曲线和磁性参数。 当磁化磁场作周期的变化时，磁体中的磁感应强度与磁场强度的关系是一条闭合 线，这条闭合线叫做磁滞回线 ，其中 B 为磁通密度，H 为磁场强度。如图 4-4。 一般说来,铁磁体等强磁物质的磁通密度 B 不是磁场强度 H 的单值函数而依赖于其所 经历的磁状态的历史。以磁中性状态(H=B=0)为起始态,当磁状态沿起始磁化曲线 0ABC 磁 化到 C 点附近（如图 4-4）时，此时磁场强度记为 Hs，磁通密度趋于饱和,曲线几乎与 H 轴平行，将此时 B 值记为饱和磁通密度 Bs,也叫饱和密度或饱和磁感应强度。此后若减小 磁场强度，将铁磁体从磁化状态去除磁场后，当 H 减小至零时,铁磁体中仍有剩余磁通密 度 BR。为使 M 减至零,需加一反向磁场,称为矫顽力。反向磁场继续增大到-Hs 时,强磁体 的磁通密度将沿反方向磁化到趋于饱和-Bs,反向磁场减小并再反向时，按相似的规律得 到另一支偏离反向起始磁化曲线的曲线。于是当磁场从 Hs 变为Hs,再从Hs 变到 Hs 时，强磁体的磁状态将由闭合回线 CBDEFEGBC 描述,其中 BC 及 EF 两段相应于可逆磁化, BDEGB 为磁滞回线。在此回线上,同一 H 可有两个 Hs 值,决定于磁状态的历史。这是由不 可逆磁化过程所致。 武汉理工大学毕业设计(论文) 24 图 4-4 基本磁化曲线 如图 4-5，若在小于 Hs 的Hcm 间反复磁化时,则得到较小的磁滞回线，称为小磁滞 回线或局部磁滞回线。相应于不同的 Hcm,可有不同的小回线。而上述 BDEGB 为其中最 大的。故称为极限磁滞回线。H 大于极限回线的最大磁场强度 Hs 时,磁化基本可逆；H 小 于此值时,B 为 H 的多值函数。通常将极限磁滞回线上的 BR及定义为材料的剩磁及矫顽 力,为表征该材料的磁特性的重要参量。磁滞回线普通的应用有电磁炉加热，如涡流炼铁。 图 4-5 磁滞回线 4.1.3 克服电感寄生电容的方法 要拓宽电感的工作频率范围，最关键的是减小寄生电容。电感的寄生电容与匝数、 磁芯材料（介电常数） 、线圈的绕法等因素有关。用下面的方法可以减小寄生电容。 （1）尽量单层绕制：空间允许时，尽量使线圈为单层，并且输入输出端远离。 （2）多层绕制方法：线圈的匝数较多，必须多层绕制时，要向一个方向绕，边绕边 重叠，不要绕完一层后，再往回绕。 （3）分段绕制：在一个磁芯上将线圈分段绕制，这样每段的电容较小，并且总的寄 生电容是两段上的寄生电容的串联，总容量比每段的寄生容量小。 武汉理工大学毕业设计(论文) 25 （4）多个电感串联起来：对于要求较高的滤波器，可以将一个大电感分解成一个较 大的电感和若干电感量不同的小电感，将这些电感串联起来，可以使电感的带宽扩展。 但这付出的代价是体积增大和成本的升高。另外，电感串联引起与电容并联同样的问题， 即引入了额外的串联谐振点。谐振点上电感的阻抗很小。 4.2 电感磁芯的选择 4.2.1 磁芯材料的比较 滤波器中磁芯的合理有效的选择是决定滤波器设计成败的关键，因此选择了以下几 种磁材料进行了对比。 表 4.1 磁性能对比 基本磁性参数超微晶铁芯钴基非晶铁芯铁氧体铁芯 饱和磁感应强度 Bs（T） 1.250.6-0.80.5 饱和磁致伸缩系数 6 10 80,00010,000 最大导磁率(Gs/Oe) 200,000200,000频率超过谐振点时， 0 电容的阻抗呈现电感阻抗的特性，阻抗随频率升高而增加。频率是电容器的谐振频率 0 为。 0 1 LC 实际电容器的高频特性主要取决于等效串联电感 L。等效串联电感实际上包含两个部 分即内部结构及引线电感 Li和外部引线电感 LW。Li取决于电容器的结构和尺寸，一般取 5H。LW取决于电容器外部引线的长短，是影响电容高频特性和谐振频率的主要因素。因 此，在使用电容器时应设法将外部引线长度控制到最小，以达到提高噪声抑制的目的。 综上所述，在高频条件下进行滤波器插入损耗分析时，必须按照电感和电容的高频 等效电路进行考虑。在计算高频插入损耗时，需要将理想状态下电感和电容的阻抗用高 频时的阻抗代替，求出相应的矩阵。 武汉理工大学毕业设计(论文) 30 4.3.2 对电容的影响因素 首先讨论电容引线对电容的影响。在用电容抑制电磁骚扰时，最容易忽视的问题就 是电容引线对滤波效果的影响。电容器的容抗与频率成反比，正是利用这一特性，将电 容并联在信号线与地线之间起到对高频噪声的旁路作用。然而，在实际工程中，很多人 发现这种方法并不能起到预期滤除噪声的效果，面对顽固的电磁噪声束手无策。出现这 种情况的一个原因是忽略了电容引线对旁路效果的影响。 电容的谐振频率由 ESL 和 C 共同决定，电容值或电感值越大，则谐振频率越低，也 就是电容的高频滤波效果越差。ESL 除了与电容器的种类有关外，电容的引线长度是一个 十分重要的参数，引线越长，则电感越大，电容的谐振频率越低。因此在实际工程中， 要使电容器的引线尽量短。 根据 LC 电路串联谐振的原理，谐振点不仅与电感有关，还与电容值有关，电容越 大，谐振点越低。许多人认为电容器的容值越大，滤波效果越好，这是一种误解。电容 越大对低频干扰的旁路效果虽然好，但是由于电容在较低的频率发生了谐振，阻抗开始 随频率的升高而增加，因此对高频噪声的旁路效果变差。表 4.2 是不同容量瓷片电容器 的自谐振频率，电容的引线长度是 1.6mm。 表 4.2 不同容量瓷片电容器的自谐振频率 电容值自谐振频率 （MHz） 电容值自谐振频率（MHz） 1mF1.7820pF38.5 0.1mF4680pF42.5 0.01mF12.6560pF45 3300pF19.3470pF49 1800pF25.5390pF54 1100pF33330pF60 然后讨论温度对电容的影响。由于电容器中的介质参数受到温度变化的影响，因此 电容器的电容值也随着温度变化。不同的介质随着温度的变化的规律不同，有些电容器 的容量当温度升高时会减小 70%以上，常用的滤波电容为瓷介质电容器，瓷介质电容器有 超稳定型COG 和 NPO、稳定型X7R 和通用型Y5V 和 Z5U 三种。COG 介质虽然稳定，但 介质常数较低，一般在 10100，因此当体积较小时，容量较小。X7R 的介质常数高得多， 为 20004000，因此较小的体积能产生较大的电容，Y5V 的介质常数最高，为 5000 25000。不同介质电容器的温度特性如下图 4-15 所示。从图中可以看出，COG 电容器的容 量几乎随温度没有变化，X7R 电容器的容量在额定工作温度范围内变化 12%以下，Y5V 电 武汉理工大学毕业设计(论文) 31 容器的容量在额定工作温度范围内变化 70%以上。这些特性在选择电容器时必须注意，否 则会出现滤波器在高温或低温时性能变化而导致设备产生电磁兼容的问题。 图 4-15 不同介质电容器的温度特性 电容器的选择时，不能片面追求电容器的体积小，这种电容器的介质虽然具有较高 的介质常数，但温度稳定性很差，会导致设备的温度特性变差。 最后讨论电压对电容的影响。不同介质电容器的电压特性如下图所示，从图中可以 看出，X7R 电容器在额定电压状态下，其容量降为原始值的 70%，而 Y5V 电容器的容量降 为原始量的 30%。了解了这个特性，在选用电容器时要在电压或电容量上流出裕量，否则 在额定工作电压状态下，滤波器会达不到预期的效果。电容器的温度/电压特性如图 4- 16 所示。 武汉理工大学毕业设计(论文) 32 %额定电压 图 4-16 电容器的电压特性 综合考虑电压和温度的影响时，电容的变化如下图 4-17 所示。 其中，普通电容之所以不能有效地滤除高频噪声，是因为电容引线电感造成电容谐 振，对高频信号呈现较大的阻抗，削弱了对高频信号的旁路作用；导线之间的寄生电容 使高频信号发生耦合，降低了滤波效果。 穿心电容不仅没有引线电感造成电容谐振频率过低的问题而且穿心电容可以直接安 装在金属面板上，利用金属面板起到高频隔离的作用。因此，穿心电容是一个很好的选 择。 武汉理工大学毕业设计(论文) 33 图 4-17 电容器的温度/电压特性 结束语 毕业设计的内容在我的努力和黄老师的耐心指导下完成了，在这个设计过程中我学 会了很多东西，也进一步增强了自己独立思考问题和查阅资料的能力，在设计过程中， 我深刻了解了以下内容，也得出了论文设计的一些研究成果。 设计过程中，我深刻了解燃料电池电源系统的构成和特性；深入分析了 buck 电路和 boost 电路干扰来源，并且设计了抑制干扰的措施；在对 buck 和 boost 电路有了透彻的 武汉理工大学毕业设计(论文) 34 理解的基础上，认真计算了 buck 和 boost 电路电感和电容值并建立了仿真模型，在 matlab 中进行了仿真，在不断调试下最终使电压和电流符合纹波要求；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。 设计过程中遇到很多的问题，我认真查阅资料，同时黄老师也给了我很多的指导， 最终我才顺利完成了毕业设计。我认识到自己学的知识还很不够，分析问题还不够深入， 以前学过的很多知识都掌握的不够牢固，致使使用的时候出现错误，这是值得我反思的 地方，在以后的工作和学习中，我一定会继续努力，并且一定要将知识掌握牢固，将所 学到的知识用到实际中去。 武汉理工大学毕业设计(论文) 35 参考文献 1 林飞、杜欣著电力电子应用技术的 MATLAB 仿真M北京：中国电力出版社， 2009. 2 王兆安、黄俊著电力电子技术M北京：机械工业出版社，2004. 3 陈坚著电力电子学电力电子变换和控制技术M北京：高等教育出版社， 2004. 4 郭银景，吕文，唐富华，杨阳电磁兼容原理及应用教程M北京: 清华大学出版 社，2005. 5 王庆斌，刘萍电磁干扰与电磁兼容技术M机械工业出版社，1998 6 Laszio TihanyiElectromagnetic Compatibility in 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