基于移相控制的電動汽車用充電機主電路分析研究

0 引言
隨著全球能源危機的加劇，作為綠色環(huán)保交通工具的電動汽車將成為未來汽車發(fā)展的趨勢。目前，我國已完成了電動大、中型客車的研究開發(fā)工作，在某些城市作為一種理想的日常公共交通工具已經(jīng)投入示范運營。在城區(qū)繁華地帶開通電動汽車公交線路，可以有效地解決汽車尾氣排放和石油原材料緊缺等問題。因此，充電技術(shù)成為電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，研制大功率高頻智能充電機用于構(gòu)建電動公交車公共充電站具有重要意義。
充電機主電路采用移相控制ZVZCS PWM全橋變換器，在變壓器副邊加入電容C和兩只二極管Dc、Dh，采用簡單的輔助電路復(fù)位電流，實現(xiàn)了超前橋臂的ZVS和滯后橋臂的ZCS。

1 充電機主電路拓撲
傳統(tǒng)的移相控制全橋軟開關(guān)電路采用變壓器漏感或原邊串聯(lián)電感和功率開關(guān)管的寄生電容的諧振實現(xiàn)零電壓開關(guān)。而滯后橋臂主要依靠變壓器漏感儲能，導(dǎo)致滯后橋臂不易滿足零電壓開關(guān)的條件。本文采用了一種ZVZCS的電路拓撲結(jié)構(gòu)，如圖l所示。

Vs是單相或三相交流輸入經(jīng)過整流濾波后得到的直流電壓，S1、S2、S3、S4是功率開關(guān)器件，C1、C3為超前橋臂的并聯(lián)電容，Llk是變壓器的漏感，T為變壓器，D1、D2、D3、D4為續(xù)流二極管，輔助電路由鉗位電容C和兩只二極管Dc、Dh構(gòu)成，Lo為輸出濾波電感，Co為輸出濾波電容。
首先S1、S4導(dǎo)通，原邊向副邊輸出能量，鉗位電容Cc被充電至最大值。關(guān)斷S1，原邊電流Ip給C1充電，給C3放電，由于C1的存在，S1為零電壓關(guān)段，此時漏感和輸出濾波電感Lo串聯(lián)，共同提供能量；原邊電壓和副邊電壓均下降，當副邊電壓下降至箝位電容電壓時，由于Cc的作用，使變壓器副邊電壓下降速度比原邊慢，導(dǎo)致電壓差，作用于Llk使原邊電流下降。C3放電至零，為S3提供零電壓開通的條件。二次側(cè)感應(yīng)電壓作用于Llk，加速了原邊電流Ip的下降，直至Ip完全復(fù)位。開關(guān)切換方式為+1/0，0狀態(tài)處于電流復(fù)位模式。箝位電容Cc提供負載電流，副邊電壓下降。Cc放電完全，整流二極管D1～D4全部導(dǎo)通續(xù)流，在續(xù)流期間由于原邊電流已經(jīng)復(fù)位，此時關(guān)段S4，開通S2，由于漏感Llk原邊電流不能突變，S4零電流關(guān)段，S2零電流開通。

2 主電路工作過程分析
全橋變換器在半個周期內(nèi)有9種工作狀態(tài)，記為模式l～模式9。
2.1 模式l
S1、S4導(dǎo)通，原邊電流流經(jīng)S1、Llk、原邊繞組、S4；副邊電流流經(jīng)D1、L。、R。、D4和副邊繞組，Cc通過Dc、Co充電，輸入側(cè)向輸出側(cè)傳遞能量。將電路進行簡化，如圖3所示，由于輸出濾波電感Lo與Llk相比較大，視為恒流源，等效電路如圖4所示。

2.2 模式2
當cosωat=-l時，VCc(t)達到最大值，則sjmωat=o，Ip(t)=nIo，Ic(t)=0，二極管Dc關(guān)斷，變壓器副邊電流流經(jīng)D1、L。、Co、R。、D4和次邊繞組，簡化電路如圖5所示。此時：

2.3 模式3
S1關(guān)斷，原邊電流從S1轉(zhuǎn)移至C1和C3，給C1充電，給C3放電，簡化電路如圖6所示。由于C1的存在，S1是零電壓關(guān)斷。變壓器原邊漏感Llk和輸出濾波電感L。串聯(lián)，Llk值較小，Lo值較大，可視為原邊電流Ip基本不變，Ip(t)=nIo。變壓器原邊電壓Vab和整流橋輸出電壓Vrec以相同的斜率線性下降：

2.4 模式4
當整流橋輸出電壓Vrec線性降至箝位電壓VCc=2(nVs-Vo)時，Dh導(dǎo)通，簡化電路如圖7所示。由于Cc遠遠大于C1+C3，則Cc保持兩端電壓不變，使整流橋輸出電壓比原邊電壓下降得慢，導(dǎo)致電壓差作用于Llk，使原邊電流Ip開始下降，等效電路如圖8所示.

2.5 模式5
C3被放電到O，D3導(dǎo)通，簡化電路如圖9此時開通S3，由于D3的存在，S3為零電壓開通。原邊電壓Vab=O。等效電路如圖10所示。

此模態(tài)結(jié)束時，原邊電流降為0，整流側(cè)電壓為Vβ。
2.6 模式6
原邊電流復(fù)位到零，簡化電路如圖11所示。Cc提供負載電流，二次側(cè)整流橋輸出電壓迅速下降，等效電路如圖12所示。

此時，

2.7 模式7
Cc被放電到零，整流二極管D1～D4全部導(dǎo)通，負載電流通過整流二極管續(xù)流，簡化電路如圖13所示。在續(xù)流期間可以關(guān)段S2，此時S2為零電流關(guān)斷。

2.8 模式8
開通S4，簡化電路如圖14所示。此時為零電流開通，由于漏感Llk的存在，原邊電流不能突變，Ip線形增加，在此時間內(nèi)，整流電壓仍然為0。

3 仿真和實驗結(jié)果與結(jié)論
本文采用電力電子專用的saber仿真軟件建立模型并仿真，仿真參數(shù)如下：

仿真波形為如圖15所示。

實驗系統(tǒng)中380 V三相交流經(jīng)整流供給直流電壓，充電機，純電阻負載，示波器構(gòu)成。變壓器原邊電壓、原邊電流、副邊整流輸出電壓的測試波形如圖16和圖17所示。
圖16為在輸入電壓508V時，原邊電流Ip和原邊電壓Uba(-Uab)的波形。
圖17為輸入電壓508V時，原邊電流Ip和變壓器副邊整流橋輸出電壓Vrec波形。所研制的電動汽車充電機采用全橋變換器，通過變壓器副邊加箝位電容和續(xù)流二極管復(fù)位主電流，使主電路的功率開關(guān)器件工作在零電壓和零電流狀態(tài)下。減低了開關(guān)損耗，實現(xiàn)了電源的軟開關(guān)。