PWM整流器在電動汽車充電機上的應(yīng)用

1 引言

電動汽車（ev）是由電機驅(qū)動前進的［1］，而電機的動力則是來自可循環(huán)充電的電池［2］，并且電動汽車對電池的工作特性的要求遠超過了傳統(tǒng)的電池系統(tǒng)。隨著電池技術(shù)的提高，因為電動汽車電池系統(tǒng)中的高電壓和大電流的以及復雜的充電算法，所以對電池的充電變得越來越復雜［3］，這樣會對現(xiàn)有的電網(wǎng)造成很大的干擾。因此，需要高效而且失真度低的充電機［4］。

從傳統(tǒng)上來講，充電器可以被分為兩個大類：線性電源和開關(guān)電源［5］ ［6］［7］。線性電源主要有三方面的優(yōu)勢：設(shè)計簡單，在輸出端沒有電氣噪聲而且成本比較低。但是線性電源的充電電路效率低對充電器來說是一個很嚴重的缺點。使用開關(guān)電源可以解決這些問題，開關(guān)電源的效率高，體積小而且成本也低。傳統(tǒng)的開關(guān)電源式充電機采用不可控或者半控器件如晶閘管進行整流，雖然能夠得到較為平滑的直流電壓，但是同時也給電網(wǎng)注入了大量的無功功率和諧波電流，給電網(wǎng)造成很大的污染［8］。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，三相電壓型pwm整流器（vsr）因其具有功率因數(shù)可控、網(wǎng)側(cè)電流趨近于正弦、直流側(cè)電壓穩(wěn)定等優(yōu)點，應(yīng)用在汽車充電器中，可以解決功率因數(shù)低、諧波電流大等問題［9］。

但是pwm整流器的開關(guān)元件在電壓和電流全不為零的時候動作會消耗能量［10］，而且隨著開關(guān)頻率增加，在開關(guān)器件上的損耗會變得越來越大［11］。使用諧振型零電壓軟開關(guān)可以解決這些問題，而且具有很多的優(yōu)點：功率開關(guān)的軟切換，在開關(guān)過程中的損耗將會很小，反過來會增加充電的效率而且可以增加運行的頻率［12］。這樣充電機的體積和重量也會得到減小［13］。另外一個好處是，在使用諧振［型軟開關(guān)后，整流器中電壓電流中的諧波含量會得到降低［14］。因此，當諧振型的整流器和傳統(tǒng)整流器工作在相同的功率等級和開關(guān)頻率時，諧振型的整流器造成的emi問題會小很多［15］。使用諧振型的整流［器去提高充電［16］機的功率等級、充電效率、可靠性和其他的工作特性［17］。

三相諧振型逆變器廣泛的應(yīng)用在電機調(diào)速控制等領(lǐng)域［20］，本文以三相逆變器為原型，設(shè)計了三相pwm整流器。并且根據(jù)諧振型整流器的特點，對控制方法進行了改進，使其能夠達到最低的失真度（df）和最小的總諧波失真（thd）。將它運用在電動汽車充電機上，能夠減小充電站的功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)的壓力，而且由于采用了軟開關(guān)技術(shù)，不會由于增加了可控開關(guān)管，而導致充電效率降低，為充電機的大規(guī)模并入電網(wǎng)提供了必要條件。

2 充電機的總體拓撲結(jié)構(gòu)

圖1從原理上描述了充電機的總體拓撲結(jié)構(gòu)圖，圖中包括幾個主要的部分：

（1）emi濾波器：抑制交流電網(wǎng)中的高頻干擾對設(shè)備的影響，同時屏蔽電動汽車充電機對交流電網(wǎng)造成的干擾；

（2）三相pwm整流器：三相pwm整流器應(yīng)用在充電機上能夠提高功率因數(shù)，而且能夠減少對電網(wǎng)的諧波污染；隨著功率因數(shù)的提高，充電站功率因數(shù)校正（pfc）的壓力會得到降低。由于其具有功率因數(shù)可控的功能，既可以將它應(yīng)用在充電機上，也可用作整個充電站的功率因數(shù)校正（pfc），因此會有廣泛的應(yīng)用前景，本文將主要對他進行設(shè)計。

（3）全橋逆變器：將整流得到的直流電壓逆變成高頻交流方波，用以通過高頻變壓器，并通過調(diào)節(jié)占空比改變輸出的電壓電流的大??；

（4）高頻變壓器：傳輸頻交流電能，同時能夠?qū)⒇撦d和前級電路進行隔離；

（5）不可控整流橋：對高頻變壓器傳輸?shù)慕涣鞣讲ㄕ?，用于對電池進行充電。

在主電路中受控的主要是三相pwm整流橋和全橋逆變器兩個主要環(huán)節(jié)，但是在提高功率因數(shù)和充電效率等方面，需要著重的分析三相pwm整流器的運行機理，所以在下文的討論中主要關(guān)注如何通過改進三相整流器的電路并通過改進控制方式來達到要求。

3 三相pwm整流器電路結(jié)構(gòu)與動作分析

圖2為帶有軟開關(guān)的三相pwm整流器的電路結(jié)構(gòu)，電路圖的左半部份為三相pwm整流橋，右半部分為零電壓開關(guān)電路（zvs），并且在開關(guān)器件上都并聯(lián)了緩沖電容。

由于整流器的開關(guān)頻率遠高于電網(wǎng)頻率，因此在一個開關(guān)周期內(nèi)可以認為整流器的輸入電流和輸出電流是恒定的，從而可以用恒流源is和il來表示輸入電流和輸出電流。因此可以用圖3作為圖2的等效電路，在圖3中sreg、ds、cr1分別代表整流器的功率開關(guān)、續(xù)流二極管和緩沖電容。由于三相整流橋的上下橋臂功率開關(guān)器件總有一方導通，所以cr1=3cs。軟開關(guān)部分包含了兩個開關(guān)器件sa1、sa2，兩個二極管d1、d2，諧振電感l(wèi)r和諧振電容cr1、cr2。在軟開關(guān)的結(jié)構(gòu)中cr1是主諧振電容，cr2是輔助電容用于將諧振電感l(wèi)r的電流ilr反向。在主諧振電容vcr1為0期間，三相橋的功率開關(guān)進行動作，可以實現(xiàn)零電壓操作，極大的降低了功耗。

通過這個軟開關(guān)結(jié)構(gòu)可以將整流橋和輔助開關(guān)完全置于軟開關(guān)的條件之下，同時能夠省去直流環(huán)節(jié)的濾波電容（電解電容），能夠減小充電器的體積，并且能夠?qū)ρ娱L充電機的壽命起到極大的作用。

4 實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行

對整流器交流側(cè)運用基爾霍夫電壓定律可以得到電網(wǎng)電壓、整流橋壓降和電感電阻壓降之間的電壓關(guān)系等式：

（1）由于分布電阻r的阻值較小，忽略分布電阻壓降后可以得到電壓之間的向量圖如圖4（a）所示。


提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，并實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行，交流側(cè)的電壓和電流的方向需要保持一致（如圖4（b））所示，可以通過控制三相整流橋上的壓降的大小和相角來調(diào)節(jié)電流的方向。采用直接電流控制來調(diào)節(jié)三相整流橋上的壓降，通過對整流器直流側(cè)的電壓進行反饋和交流側(cè)電流的前饋控制，可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)的大小和向量，并最終使交流側(cè)電壓電流的方向保持一致，實現(xiàn)高功率因數(shù)運行。

5 svpwm應(yīng)用在pwm整流器

svpwm在整流器上被廣泛的應(yīng)用著，因為最大輸出電壓比spwm調(diào)制方法要高出15%，同時諧波特性也要比別的調(diào)制方法要好很多［18］，同時能夠保持最低的開關(guān)頻率［19］，但是在將svpwm應(yīng)用到帶有軟開關(guān)的整流器的時候，在采樣周期的電壓向量序列需要做一些改變。

（2）其中，瞬時空間向量是dq坐標系下的8個空間向量，如圖5（a）所示，大小為，其中包含6個非零的向量v1~v6和兩個零向量v0、v7，并且將整個dq平面均分成6個扇形區(qū)域ⅰ~ⅵ。

根據(jù)文獻［20］，在帶有軟開關(guān)的三相整流器中，采用svpwm方式最好的調(diào)制方法是按照圖5（b）所描述的向量作用順序，使用這種方法能夠獲得最低的失真度（df）和最小的總諧波失真（thd）。在圖5b的調(diào)制方法中，v0、v1、v2分別代表的是零向量和兩個非零向量。在同一個扇形區(qū)域中，兩個非零向量在作用時間t=2*δθ=2ωts中交替著作為第一個作用向量，并且在兩個非零向量作用時間中間添加進零向量的作用時間。

圖6為三相整流器的控制框圖，分為3個部分：最左側(cè)的是軟開關(guān)作用時間和向量序列作用時間控制塊，負責產(chǎn)生諧振控制時間t1和三個電壓合成向量的作用時間t0、t1、t2；中間是軟開關(guān)和整流器igbt門信號的產(chǎn)生器，通過接收控制器的時間信號，產(chǎn)生滿足要求的igbt門信號；最右側(cè)則是被控對象三相整流橋（vsr）和軟開關(guān)（zvs）的電路。通過控制sa1、sa2的通斷，給svpwm的向量作用序列創(chuàng)造零電壓的開關(guān)時間，同時按照改進的svpwm向量作用順序，能夠極大的減小因為功率管增多而造成的充電效率下降的問題。

6 仿真結(jié)果

為了進行實驗研究和分析，對帶有軟開關(guān)的三相pwm整流器在matlab/simulink中進行了仿真，仿真的參數(shù)如下：交流側(cè)的三相電壓為380v，開關(guān)頻率為20khz，直流側(cè)電壓設(shè)定值為450v，電路參數(shù)：cr1=6500μf，cr2=450μf，lr=20mh。

仿真結(jié)果如圖7和圖8所示：圖7（a）中表示的是直流側(cè)電壓的仿真波形，可以發(fā)現(xiàn)直流側(cè)電壓vdc基本穩(wěn)定在450v，而且電壓的波動范圍很小，符合設(shè)計的要求，圖7（b）表示的是電網(wǎng)側(cè)交流電壓電流之間的關(guān)系，在直流側(cè)電壓穩(wěn)定后，電壓和電流一直保持著同相的關(guān)系，功率因數(shù)接近為1，能夠?qū)崿F(xiàn)充電機的高功率因數(shù)運行的要求；圖8（a）表示的是電壓的調(diào)制比的大小，同樣他的波動范圍非常小，圖8（b）表示的是有功和無功電流的大小，可以看到無功電流一直穩(wěn)定在0附近，整流器的功率因數(shù)能夠接近為1。

7 結(jié)束語

本文采用開關(guān)電源技術(shù)設(shè)計了大功率的汽車充電器，并對三相pwm整流器進行了詳細的設(shè)計。綜合采用了零電壓軟開關(guān)（zvs）技術(shù)和空間矢量脈寬調(diào)制（svpwm）技術(shù)，并且根據(jù)軟開關(guān)的開關(guān)條件對svpwm的調(diào)制方法進行改進，使其能夠獲得最低的失真度（df）和最小的總諧波失真（thd）。最后對三相pwm整流器進行了仿真，仿真顯示充電過程中能夠獲得很高的功率因數(shù)，而且交流側(cè)電流接近于正弦，直流側(cè)電壓穩(wěn)定。由于充電機能夠達到很高的功率因數(shù)，同時諧波含量也很低，所以可以減小充電站的功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)的負擔，同時設(shè)計的三相整流器由于具有功率因數(shù)可控的特點，可以用作充電站的功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)，為充電機的大規(guī)模使用提供了必要條件。