電動汽車充電器電路拓撲的設(shè)計考慮

另外，在電壓源型變換器中，開關(guān)器件的電壓得到很好的限制，但在全橋和半橋拓撲中，卻可能會因擊穿損壞。這些變換器通常被分為串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)諧振3種類型。

圖12給出這些基本的諧振變換器拓撲示意圖。在串聯(lián)諧振變換器中，諧振電感與變壓器原邊串聯(lián)，而其他類型變換器中，電容與變壓器串聯(lián)。只有串聯(lián)諧振變換器是硬電流源特性，而其他類型變換器是硬電壓源型。

圖12 諧振變換器拓撲

為了有效利用感應(yīng)耦合器磁化電感和匝間電容，可以采用不同的串聯(lián)諧振變換器。一種拓撲形式是圖13所示的串并聯(lián)LLCC諧振變換器[9][10]。另外一些諧振變換器也可考慮。如前所述，匝間電容、磁化電感和漏感均得到了充分利用。這一方案因變換器和感應(yīng)耦合器得到了很好的匹配，頗具吸引力。

圖13 串并聯(lián)LLCC諧振變換器

該變換器可以工作于高于諧振頻率的ZVS狀態(tài)，或低于諧振頻率的ZCS狀態(tài)，如圖14所示。輸出電壓可采用變頻控制。然而，為了優(yōu)化感應(yīng)耦合器性能，一般設(shè)計為高頻對應(yīng)于輕載工作，低頻對應(yīng)于重載工作，從而在頻率變化范圍內(nèi)，變換器的開關(guān)損耗基本保持恒定。

圖14 串并聯(lián)諧振的兩種軟開關(guān)工作模式

由于并聯(lián)諧振電路的升壓特性，最大的變換器電壓增益稍大于1。對于輸入電壓450V，輸出電壓400V，可用1∶1的匝比。這種變換器輕載工作時輸出電壓控制特性比較差，需要采用其他的一些控制技術(shù)。一種方案是使用輸入Boost級調(diào)節(jié)輸出電壓，另一種方案是采用PWM或移相控制。這兩種控制技術(shù)在相關(guān)文獻中都有較詳細的介紹。

4.3 充電模式3

這是一種快速充電模式，主要針對長距離旅行情況進行充電。充電器對應(yīng)高功率特性（>100kW），主要用于一些固定的充電站。對于100kW的功率等級，充電時間約為15min。為提高功率因數(shù)，降低輸入電網(wǎng)諧波，變換器輸入端一般需要采用有源整流電路，如圖15所示。可以采用不同的控制方案，包括矢量控制，六階梯波控制，數(shù)字控制技術(shù)等[11]。

圖15 有源輸入整流電路

為了進一步提高變換效率，允許高頻工作，可以采用如圖16所示的ZVT電路。利用輔助電路實現(xiàn)了主開關(guān)器件的ZVT，主開關(guān)仍為PWM控制。

圖16 ZVT三相Boost整流輸入電路

如前所述，高功率充電模式通常只在充電站使用。因為，充電站可能會裝有多個充電器，每個充電器均采用單獨的整流級必然會使系統(tǒng)體積龐大，成本大大增加。為簡化系統(tǒng)設(shè)計，可為整個充電站配備一個專門的PFC或諧波補償變換器，從而充電主電路，都連接在同一個有源輸入整流電路上，如圖17所示。

圖17 配備專門的PFC或諧波補償器的充電器系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)

有源濾波器定額約為充電站額定功率定額的20％。在整流端一般采用直流側(cè)電感來提高整流器的功率因數(shù)，可以選用串聯(lián)或并聯(lián)方式的有源濾波方案。

有源濾波器可以采用傳統(tǒng)硬開關(guān)PWM逆變器電路，或采用軟開關(guān)逆變器，從而工作在更高開關(guān)頻率，提高控制帶寬，對更高階的諧波進行補償。諧振直流環(huán)節(jié)變換器比較適合于在較寬中功率范圍逆變器場合下工作。圖18給出了有源箝位諧振直流環(huán)節(jié)逆變器功率電路。

圖18 有源嵌位諧振直流環(huán)節(jié)逆變器功率電路

與傳統(tǒng)PWM變換器不同的是，諧振直流環(huán)節(jié)逆變器采用離散脈沖調(diào)節(jié)（DPM，Discrete Pulse Modulation）控制，開關(guān)頻率較高，所需的濾波器尺寸較小。此外，由于dv/dt得以控制，所產(chǎn)生的EMI較小。

與充電模式2類似，充電變換器可以直接采用全橋或帶諧振的全橋變換器。但是，由于充電模式3功率級更高，與諧振式全橋變換器相比，一般的全橋變換器必然會對應(yīng)很高的峰值電流。因此，應(yīng)當考慮采用ZVS或ZCS諧振全橋拓撲來有效降低損耗。

如前所述，串并聯(lián)全橋諧振型變換器是可選拓撲，它滿足了感應(yīng)耦合充電變換器的所有設(shè)計考慮，并且完全利用了感應(yīng)耦合器的等效電路元件。根據(jù)功率器件性能差異，可分別選擇ZVS或ZCS方案。

對于高功率等級和高頻場合，具有相對較小導(dǎo)通損耗和高頻能力的IGBT具有較大的吸引力。由于感應(yīng)耦合器優(yōu)化設(shè)計的頻率范圍為70～300kHz，因此，需要軟開關(guān)技術(shù)來優(yōu)化IGBT的性能。文獻[10]中結(jié)果表明：在ZVS情況下，IGBT關(guān)斷損耗仍然較大，管芯溫度較高；而ZCS可使得IGBT在ZCS情況下關(guān)斷，減小了關(guān)斷損耗，使IGBT能夠更好地用于高開關(guān)頻率下。

為了進一步降低器件電流應(yīng)力，減小傳輸電纜的尺寸和重量，可以采用較高電平的總線電壓。此時感應(yīng)耦合器可以采用2∶1的匝比。從而當副邊采用4匝時，原邊要采用8匝。對于400V的電池電壓，直流總線電壓至少必須為DC800V，此時必須采用定額為1200V/400A的IGBT。

5 結(jié)語

本文根據(jù)SAEJ-1773對感應(yīng)耦合器的規(guī)定，對電動汽車供電電池的充電器進行了討論。根據(jù)感應(yīng)耦合器的標準及不同的充電模式，確定了與感應(yīng)耦合器相匹配的充電器的幾種設(shè)計方案，對適合不同充電模式的電路拓撲進行了選擇。最后給出了分別適合于不同充電等級的備選變換器拓撲方案。