摘 要

“绿色能源”是一种新型的无污染的能源，它的发展对于解决当今环境污染问题和目前化石能源枯竭等问题具有重要意义。燃料电池作为一种清洁能源，因其发电效率高、环境污染小，也不受环境地域的限制等优势越来越受到广泛的关注和研究。但是燃料电池的输出特性较软，其输出电压会随着输出功率的变化而变化，所以需要对其进行DC-DC变换后接入负载。

燃料电池DC-DC变换器需要较宽的输入电压范围、高的升压比和较高的效率。针对以上需求，本文设计了一台基于宽禁带器件的燃料电池用DC-DC变换器。本文以隔离式全桥DC-DC变换器为主电路，对MOSFET、二极管选用了碳化硅半导体材料器件，对升压电感和滤波电容进行了计算，并用matlab/simulink进行了仿真测试。

仿真结果满足了各种设计要求，并通过与传统硅半导体器件构成的电路进行比较，验证了宽禁带半导体器件的优势。

关键词：宽禁带半导体，燃料电池，DC-DC变换器，matlab仿真

Abstract

"Green energy" is a new type of pollution-free energy, and its development is of great significance to solve the problems of environmental pollution and the depletion of fossil energy. Fuel cell has attracted more and more attention and research because of its advantages such as high power generation efficiency, low environmental pollution and being free from environmental geographical restrictions. However, the output characteristic of fuel cell is soft, and its output voltage will change with the change of output power, so it needs to connect the load after DC-DC transformation.

Fuel cell DC-DC converter needs wide input voltage range, high boost ratio and high efficiency. In order to meet the above requirements, a DC-DC converter for fuel cell based on wide band-gap device is designed. In this thesis, an isolated full-bridge DC-DC converter is used as the main circuit. This thesis uses silicon carbide semiconductor devices for MOSFET and diode, calculates the boost inductance and filter capacitance, and carries out simulation test with matlab/simulink.

The simulation results meet all kinds of design requirements, and the advantages of wide band-gap semiconductor devices are verified by comparing them with the circuits of traditional silicon semiconductor devices.

Key Words：Wide-band semiconductor, fuel cell, DC-DC converter, matlab simulation

目 录

第1章绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 燃料电池DC-DC变换器国内外发展状况 2

1.3本文主要研究内容 4

第2章基于宽禁带器件的燃料电池DC-DC变换器拓扑结构设计 5

2.1燃料电池对DC-DC变换器的需求 5

2.2对非隔离式拓扑结构的分析 7

2.3对隔离式全桥DC-DC变换器的分析 9

2.4本章小结 11

第3章基于宽禁带器件的燃料电池DC-DC变换器硬件电路设计 12

3.1 变压器变比的计算 12

3.2 升压电感的计算 12

3.3 输出滤波电容的计算 13

3.4 宽禁带器件的选型 13

3.5 PWM控制电路的设计 14

3.6本章小结 15

第4章DC-DC变换器的matlab仿真 16

4.1 输出电流纹波 18

4.2 变换器输出效率 19

4.3 本章小结 21

第5章结论与展望 22

5.1 结论 22

5.2 工作展望 22

参考文献 23

致谢 24

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

近年来环境污染越发严重，能源危机问题愈加尖锐，图1表明了1991-2016年全球能源的消费量，石油和煤炭的消费量仍居高不下，天然气和其他可再生能源得到了较大的发展。2016年底，全球可再生能源发电装机达到2017吉瓦（1000兆瓦），占到全球发电总装机的30%，占全球总发电量的24.5%。，可再生能源节能减排等环保话题受到全世界的广泛关注。

图1.1 全球能源消费量

火力发电和水力发电仍是当今世界的主要发电方式。

火力发电的工作原理是：可燃物自身在燃烧时会产生热能，热能传动到发电机一端并转换成电能。火力发电目前比较成熟，投资较小，不受地理环境影响，但是火力发电能耗很大、运营成本高、发电的效率较低。在发电时，可燃物的燃烧会产生大量二氧化硫、氮氧化物等有害气体，同时也会产生大量粉尘，对环境产生较大污染。

水力发电的工作原理是：处于高处的水有较大的势能，利用水从高处流向低处时的能量传导到发电机转换成电能。水力发电是可再生能源，对环境污染较小，但是水力发电受地理条件的影响，修建水电站前期成本高、建造工期较长。

核能发电和太阳能发电作为新兴的发电方式在技术方面仍未成熟。

燃料电池可以不通过燃烧就利用氢的能量，是一种清洁高效的发电装置。燃料电池的工作原理是：将所供燃料的化学能通过化学反应直接变换为电能。它具备高效率、低排放、可靠性高、低噪音、不受地理环境影响等优势。我国是一个煤炭大国，每年有超过一半的能源来源于煤炭，因此煤炭的高效清洁利用对于满足我国能源需求和缓解环境污染问题具有重要意义^[1].但是我国煤炭能源利用率相较于发达国家很低。

1.2 燃料电池DC-DC变换器国内外发展状况