電動(dòng)汽車(chē)充電器電路拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)考慮

當(dāng)原邊開(kāi)關(guān)管S₁及S₂均開(kāi)通時(shí)，能量?jī)?chǔ)存在輸入濾波電感中，同時(shí)輸出整流管處于關(guān)斷態(tài)。當(dāng)開(kāi)關(guān)管S₁及S₂中任一個(gè)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)存能量通過(guò)原邊繞組傳輸?shù)礁边?。由于變換器的對(duì)稱(chēng)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(mǎn)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(shí)占空比為0.15，輸出電壓為DC 475V時(shí)占空比為0.5。如圖5所示，主開(kāi)關(guān)管上的電壓應(yīng)力為2V_B。當(dāng)輸出電壓為DC 400V時(shí)，開(kāi)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(huì)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(wú)損吸收電路。但無(wú)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(huì)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(kāi)關(guān)損耗也限制了開(kāi)關(guān)頻率的提高。

開(kāi)關(guān)管的平均電流為

I_Savg=I_Lavg （2）

對(duì)于1.5kW功率等級(jí)，輸入電流有效值為15A，平均開(kāi)關(guān)電流是13A，峰值電流為22A，需要電流定額至少為30A的開(kāi)關(guān)器件。盡管這個(gè)方案提供了比較簡(jiǎn)單的單級(jí)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(kāi)關(guān)損耗，可以采用圖5所示的軟開(kāi)關(guān)電路。給MOSFET設(shè)計(jì)的關(guān)斷延時(shí)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(shí)，因關(guān)斷損耗的降低，開(kāi)關(guān)頻率得以提高。

另一個(gè)降低器件電壓定額的方案是采用兩級(jí)變換結(jié)構(gòu)。前級(jí)PFC校正環(huán)節(jié)可以采用帶有軟開(kāi)關(guān)功能的Boost變換器，允許高頻工作。后級(jí)DC/DC功率變換級(jí)，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(jí)功率變換電路結(jié)構(gòu)圖。

圖7 充電模式1采用的兩級(jí)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(jí)功率開(kāi)關(guān)管可以采用500～600V的MOSFET，半橋變換器的開(kāi)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(kāi)關(guān)管的電流定額是30A，而半橋變換器開(kāi)關(guān)管的電流定額是20A。

4.2 充電模式2

這是電動(dòng)汽車(chē)的一種正常充電模式，充電過(guò)程一般在家庭和公共場(chǎng)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(jí)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(shí)間為5～8h。

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

(a) 無(wú)損吸收電路之一

(b) 無(wú)損吸收電路之二

圖8 采用無(wú)損吸收電路的軟開(kāi)管Boost變換器

(a) ZCT

(b) ZVT

圖9 采用有源開(kāi)關(guān)輔助電路的軟開(kāi)管Boost變換器功率級(jí)

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(jí)變換器的設(shè)計(jì)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(jí)輸出電壓可以采用DC450V。

與采用帶附加有源開(kāi)關(guān)輔助電路的軟開(kāi)管Boost變換器功率級(jí)相比，無(wú)損吸收軟開(kāi)管Boost變換器功率級(jí)因無(wú)需有源器件，因而更具優(yōu)勢(shì)。特別是圖8(b)，因其開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷dv/dt得到了控制，開(kāi)通為零電壓開(kāi)通，且主開(kāi)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(wú)損吸收電路的典型波形。

圖10 無(wú)損吸收電路的典型波形

對(duì)于6.6kW的功率定額，450V的輸出電壓，需要采用600V/60A的MOSFET?？筛鶕?jù)應(yīng)用場(chǎng)合需要，整機(jī)設(shè)計(jì)可選擇單模塊或多模塊并聯(lián)方案。

對(duì)于后級(jí)DC/DC變換器，由于輸入輸出均為容性濾波器，因此，只有具有電流源特性的高頻變換器適用。以下幾種有大電感與變壓器原邊相串聯(lián)的

圖11 全橋型充電變換器

原邊電路中采用串聯(lián)電感，從而感應(yīng)耦合器的漏感被有效利用起來(lái)，磁化電感也可利用來(lái)擴(kuò)大變換器ZVS的工作范圍。對(duì)于450V的輸入總線(xiàn)電壓，可以采用1∶1的匝比，也即原邊繞組和副邊繞組均采用4匝線(xiàn)圈。

橋式結(jié)構(gòu)的變換器 另一類(lèi)具有高頻電流源特性的變換器