臺灣博碩士論文加值系統

本文旨在設計及製作以數位信號處理器為基礎之燃料電池功率轉換器，將燃料電池之功率輸出至負載端，並提高整體能源使用效率。文中提出全橋式直流-直流功率轉換器，將電壓變動範圍為26V~42V之燃料電池提昇至200V之直流鏈電壓，並採用高頻及零電壓切換，有效地將燃料電池的功率傳至負載；另外，本文亦設計昇/降壓型直流截波器以調節燃料電池與蓄電池的能量，使直流鏈電壓保持穩定；最後，則使用直流-交流功率轉換器將直流電源轉換成110V，60Hz之單相交流電源。
本文之系統採用數位信號處理器(DSP, TMS320LF2407A)為控制核心，配合電壓、電流回授以完成閉迴路控制，其中全橋式直流-直流功率轉換器之功率控制策略、直流截波器之充放電控制及直流-交流功率轉換器之電壓控制皆由軟體程式完成，用以減少硬體電路。本文已完成500W的發電系統，並由實驗結果驗證理論分析之可行性。

This thesis presents the design and implementation of digital signal processor based power converters for fuel-cells. The power converters can not only transfer the power from fuel-cells to the load, but also improve the energy efficiency. In the proposed system, a full-bridge dc-dc power converter is designed to boost dc bus to 200V. Moreover, the high-frequency zero-voltage switching technigue is adopted for the power transmission. In addition, a buck/boost chopper is introduced to charge or discharge batteries in order to regulate the power between fuel-cells and batteries. Finally, a single-phase inverter is added to convert dc bus into a 110V, 60Hz single-phase ac source.
For implementation, the digital signal processor, DSP TMS320LF2407A, is used to control the system with the voltage and current feedbacks. The control of the full-bridge power converter, the dc chopper and the inverter are all conducted by software to reduce the component counts. A prototype of 500W fuel-cell generation system is developed. The feasibility of the generation system is verified experimentally.

中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
誌 謝 Ⅲ
目 錄 Ⅳ
符號說明 Ⅶ
圖表索引 Ⅸ
第一章 緒論 1
1.1 動機及目的 1
1.2 文獻探討 1
1.3 系統架構 2
1.4 本文特色 3
1.5 大綱 4
第二章 燃料電池 5
2.1 前言 5
2.2 燃料電池的種類與應用 5
2.3 燃料電池的發電原理 8
2.4 燃料電池的等效電路與模擬 9
2.5 結語 13
第三章 具零電壓切換之全橋昇壓型直流-直流功率轉換器分
析、設計及控制 14
3.1 前言 14
3.2 全橋式直流-直流功率轉換器架構 14
3.3 零電壓切換之全橋式直流-直流功率轉換器 16
3.4 電路參數與元件之設計 26
3.4.1 功率電晶體的選用 26
3.4.2 高頻變壓器的設計 26
3.4.3 諧振電感 及 設計 27
3.4.4 盲時的設定 28
3.5 全橋式直流-直流功率轉換器之分析及控制 29
3.6 結語 32
第四章 能源管理與直流-交流功率轉換器之控制 33
4.1 前言 33
4.2 蓄電池充放電系統架構及控制 33
4.2.1 蓄電池放電模式 34
4.2.2 蓄電池充電模式 35
4.2.3 蓄電池充放電控制 36
4.3 直流-交流功率轉換器架構及控制 38
4.3.1 正弦脈波寬度調變 38
4.3.2 振幅鎖定迴路控制 40
4.4 結語 42
第五章 實體製作與測試 43
5.1 前言 43
5.2 硬體電路 43
5.2.1 數位信號處理器介面電路 44
5.2.2 電壓回授電路 45
5.2.3 電流回授電路 46
5.2.4 功率電晶體閘極驅動電路 47 5.3 軟體規劃 49
5.3.1 主程式規劃 49
5.3.2 零電壓切換之直流-直流功率轉換器控制程式
規劃 52 5.3.3 蓄電池充電之控制程式規劃 53
5.3.4 蓄電池放電之控制程式規劃 54
5.3.5 直流-交流功率轉換器之控制程式規劃 55
5.4 實測結果 56
5.5 結語 64
第六章 結論與建議 65
6.1 結論 65
6.2 建議 66
參考文獻 67
附 錄 A 系統參數 70
作者簡介 71

參考文獻
[1]M. Farooque, and H.C. Maru, “Fuel cells-the clean and efficient power generators,” Proceedings of the IEEE, vol.89, no.12, pp.1819-1829, 2001.
[2]吳龍暉“綠色電力─乾淨、高效率的燃料電池”，第十一期，第6-9頁，民國87年。
[3]B. Cook, “Introduction to fuel cells and hydrogen technology,” Proceedings of the engineering science and education journal, pp.205-216, 2002.
[4]鄭雅堂“燃料電池發電技術”，汽電共生報導第十四期，第17-25頁，民國87年。
[5]J. Kim, D.S. Hyun and Y. Goo, “A study of PEMFC operating condition,” Proceedings of the IEEE, vol.1, pp.186-191, 2000.
[6]J.C. Amphlett, R.F. Mann, B.A. Peppley, and A. Roberge, “A practical PEM fuel cell model for simulating vehicle power sources,” Proceedings of the IEEE, pp.10-13, 1995.
[7]J.J. Baschuk, X. Li, “Modelling of electrolyte membrane fuel cells with variable degrees of water flooding,” Journal of Power Sources 86, pp.181-196, 2000.
[8]J.M. Correa, F.A. Farret, and L.N. Canha, “An analysis of the dynamic performance of proton exchange membrane fuel cells using an electrochemical model,” Proceedings of the IEEE, vol.1, pp141-146, 2001.
[9]C. Cuardos, C.Y. Lin, D. Boroyevich, R. Watson, G. Skutt, F.C. Lee, and P. Ribardiere, “Design procedure and modeling of high power, high performance, zero-voltage zero-current switched, full-bridge PWM converter,” Proceedings of the IEEE, pp.790-798, 1997.
[10]S. Sato, S. Moisseev, and M. Nakaoka, “A novel synchronous rectifiers based ZVS-PWM DC-DC power converter with extended soft-switching operation range,“ Proceedings of the IEEE, pp.268-273, 2003.

[11]劉翼德，高電壓輸出之零電壓切換相移式全橋升壓型轉換器的分析及研製，國立台灣科技大學電機工程研究所碩士論文，民國92年。
[12]蔡宗志，以數位信號處理器為基礎之太陽能與風力複合發電系統之研製，國立台灣科技大學電機工程所碩士論文，民國94年
[13]P.A. Dahono, A. Purwadi, and Q. amaruzzaman, “An LC filter design method for single-phase PWM inverters,” Power Electronics and Drive Systems, vol. 2, pp.571-576, 1995.
[14]A.T. Raissi, and A. Banerjee, “Current technology of fuel cell system” Proceedings of the IEEE, vol3, pp.1953-1957, 1997.
[15]J.T. Pukrushpan, A.G. stefanopoulou, and H. peng, “Modeling and control for PEM fuel cell stack system,” Proceedings of the IEEE, vol.4, pp.3117-3122, 2002
[16]林昇佃，余子隆等人合著，燃料電池新世紀能源，民國93年
[17]鄭耀宗，徐耀昇，燃料電池技術進展的現況分析，節約能源論文發表會論文專輯，民國88年。
[18]J.A. Sabate, V. Vlatkovic, R.B. Ridley, F.C. Lee, and B.H. Cho, “Design considerations for high voltage high power full bridge zero voltage switched PWM converter,” Proceedings of the IEEE, pp. 275-284, 1990.
[19]J.W. Baek, J.G. Cho, D.W. Yoo, G.H. Rim, and H.G. Kim, “An improved zero voltage and zero current switching full bridge PWM converter with secondary active clamp,” Proceedings of the IEEE, pp. 948-954, 1998.
[20]J.M. Zhang, F. Zhang, X.G. Xie, D.Z. Jiao, and Z. Qian, “A novel ZVS DC/DC converter for hign power applications,“ Proceedings of the IEEE, pp.635-640, 2002.
[21]蘇育生，以數位信號處理器為基礎之並聯型單相全橋不斷電系統之研製，國立台灣科技大學電機工程研究所碩士論文，民國93年。
[22]李仲毅，全數位化之單相變流器設計與製作，國立台灣大學電機工程所碩士論文，民國87年
[23]康宗仁，永磁式同步發電機之風力發電功率控制系統之研製，國立台灣科技大學電機工程所碩士論文，民國94年
[24]T.J. Moir, “Analysis of an amplitude-locked loop,” Electronics Letters, vol. 31, pp.694- 695, 1995.
[25]D.F. Clark, and T.J. Moir, “Application of a PLL and ALL noise reduction process in optical sensing systems,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 44, pp.136-138, 1997.
[26]曾奕棻，應用振幅鎖定迴路實現之新式GFSK 解調架構，國立台灣大學電機工程研究所碩士論文，民國90年六月。
[27]G.F. Franklin, J.D. Powell, and M.L. Workman, “Digital control of dynamic systems,” 3nd, Addison Wesley, 1998.
[28]TMS320LF/C240X DSP Controllers, Reference Guide, System and Peripherals, 1997.
[29]PM30CSJ060 Technical Manual, Mitsubishi Electric Co., 2000.
[30]陳瑩燦，具不斷電控制之永磁式同步電動機驅動系統之研製，國立台灣科技大學電機工程所碩士論文，民國94年
[31]M. McGranaghan, “Overview of the guide for applying harmonic limits on power systems-IEEE P519A,” Proceedings of the Harmonics and Quality of Power International Conference, vol. 1, pp. 462-469, 1998.