電動汽車充電器電路拓?fù)涞脑O(shè)計考慮

作者：時間：2011-02-22 來源：網(wǎng)絡(luò)

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本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/197511.htm

當(dāng)原邊開關(guān)管S₁及S₂均開通時，能量儲存在輸入濾波電感中，同時輸出整流管處于關(guān)斷態(tài)。當(dāng)開關(guān)管S₁及S₂中任一個開關(guān)管關(guān)斷時，儲存能量通過原邊繞組傳輸?shù)礁边?。由于變換器的對稱工作，變壓器磁通得以復(fù)位平衡。

為使輸入電感伏秒積平衡，必須滿足（1）

V_inmax≤V_B(1－D_min) （1）

假定變壓器匝比為1∶1，最大輸入電壓為170V，則輸出電壓為DC 200V時占空比為0.15，輸出電壓為DC 475V時占空比為0.5。如圖5所示，主開關(guān)管上的電壓應(yīng)力為2V_B。當(dāng)輸出電壓為DC 400V時，開關(guān)管電壓應(yīng)力是DC 800V，這一電壓應(yīng)力相當(dāng)高。而且，由于傳輸電纜和感應(yīng)耦合器的漏感，器件電壓應(yīng)力可能會更高。為了限制器件最大電壓應(yīng)力，可以采用圖5所示的無損吸收電路。但無論是在哪種情況下，都必須采用1200V電壓定額的器件。因高耐壓的MOSFET的導(dǎo)通電阻較高，導(dǎo)通損耗就會很大。因而，要考慮采用低導(dǎo)通壓降的高壓IGBT。但I(xiàn)GBT器件開關(guān)損耗也限制了開關(guān)頻率的提高。

開關(guān)管的平均電流為

I_Savg=I_L_avg（2）

對于1.5kW功率等級，輸入電流有效值為15A，平均開關(guān)電流是13A，峰值電流為22A，需要電流定額至少為30A的開關(guān)器件。盡管這個方案提供了比較簡單的單級功率變換，但也存在一些缺陷，如半導(dǎo)體器件承受的電壓應(yīng)力較高、輸出電壓調(diào)節(jié)性能差，輸出電流紋波大。

為了降低器件的開關(guān)損耗，可以采用圖5所示的軟開關(guān)電路。給MOSFET設(shè)計的關(guān)斷延時確保了IGBT的ZVS關(guān)斷。在電流上升模式中，MOSFET分擔(dān)了輸出濾波電流，其電壓應(yīng)力為IGBT的一半。從而，可以采用600V的器件。同時，因關(guān)斷損耗的降低，開關(guān)頻率得以提高。

另一個降低器件電壓定額的方案是采用兩級變換結(jié)構(gòu)。前級PFC校正環(huán)節(jié)可以采用帶有軟開關(guān)功能的Boost變換器，允許高頻工作。后級DC/DC功率變換級，可以采用半橋串聯(lián)諧振變換器，提供高頻電流鏈。圖7給出了適用于充電模式1的兩級功率變換電路結(jié)構(gòu)圖。

圖7 充電模式1采用的兩級功率變換電路結(jié)構(gòu)

若輸入電網(wǎng)電壓是AC 115V，為了降低DC/DC變換器的電流定額，輸出電壓可以提升到DC 450V。這樣Boost級功率開關(guān)管可以采用500～600V的MOSFET，半橋變換器的開關(guān)器件可以采用300～400V的MOSFET。由于采用半橋工作，感應(yīng)耦合器可以采用1∶2的匝比。若原邊繞組為4匝，則副邊繞組為8匝。Boost開關(guān)管的電流定額是30A，而半橋變換器開關(guān)管的電流定額是20A。

4.2 充電模式2

這是電動汽車的一種正常充電模式，充電過程一般在家庭和公共場所進(jìn)行，要求給使用者提供良好的使用界面。

充電模式2的充電功率等級是6.6kW。230V/30A規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)電源足以給這種負(fù)載供電。其典型的充電時間為5～8h。

與充電模式1中充電功率變換器相類似，充電模式2也可采用單級AC/DC變換器。但由于帶PFC功能的單級變換器，開關(guān)管的峰值電流很高，因而最好采用兩級變換器。其中，PFC級可采用傳統(tǒng)的Boost升壓型電路，開關(guān)管采用軟開關(guān)或硬開關(guān)均可。但為了提高效率，更傾向于選擇軟開關(guān)Boost變換器。圖8給出兩種采用無損吸收電路的軟開管Boost變換器主電路功率級。圖9給出兩種采用有源開關(guān)輔助電路的軟開管Boost變換器功率級[7][8]。

(a) 無損吸收電路之一

(b) 無損吸收電路之二

圖8 采用無損吸收電路的軟開管Boost變換器

(a) ZCT

(b) ZVT

圖9 采用有源開關(guān)輔助電路的軟開管Boost變換器功率級

若電網(wǎng)輸入電壓為230V，則輸出電壓可以調(diào)節(jié)到400V以上。這使得后級變換器的設(shè)計變得容易，感應(yīng)耦合器可以取1∶1的匝比。因此，如果電池最高電壓為400V，則前級輸出電壓可以采用DC450V。

與采用帶附加有源開關(guān)輔助電路的軟開管Boost變換器功率級相比，無損吸收軟開管Boost變換器功率級因無需有源器件，因而更具優(yōu)勢。特別是圖8(b)，因其開關(guān)管的關(guān)斷dv/dt得到了控制，開通為零電壓開通，且主開關(guān)管上的電壓應(yīng)力為輸出電壓，因而整機(jī)性能得到大大改進(jìn)。圖10給出無損吸收電路的典型波形。