大功率電動(dòng)汽車充電機(jī)的設(shè)計(jì)

圖2 充電機(jī)控制結(jié)構(gòu)示意圖

開關(guān)電源主回路設(shè)計(jì)
電動(dòng)汽車充電機(jī)采用的大功率高頻開關(guān)電源的原理框圖如圖3所示，由三相橋式不可控整流電路對(duì)三相交流輸入進(jìn)行濾波整流，功率因數(shù)校正預(yù)穩(wěn)壓800V后經(jīng)高頻DC/DC半橋功率變換器，濾波輸出直流700V為動(dòng)力蓄電池充電。經(jīng)過分析計(jì)算，變壓器采用雙E65磁芯，初級(jí)線圈12匝，則根據(jù)輸出電壓最高700V、輸入電壓最低780V、最大占空比0.95可求得次級(jí)繞組圈數(shù)N2，N2=(12/780)×(700/0.95)=11.33，考慮漏感、次級(jí)整流壓降等因素取N2為12匝。

圖3 充電機(jī)電源的原理框圖

由于電動(dòng)汽車充電機(jī)為非線性負(fù)荷，會(huì)產(chǎn)生諧波，對(duì)電網(wǎng)是一種污染。必須采取有效措施，如功率因數(shù)校正或無功補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，限制電動(dòng)汽車充電機(jī)進(jìn)入電網(wǎng)的總諧波量。為提高功率因數(shù)，降低輸入電網(wǎng)諧波，采用有源功率因數(shù)校正電路，如圖4所示。它采用三相三開關(guān)三電平BOOST電路，工作在連續(xù)模式，開關(guān)采用兩個(gè)MOSFET組合成的雙向開關(guān)。圖中，開關(guān)S1，S2，S3是雙向開關(guān)。由于電路的對(duì)稱性，電容中點(diǎn)電位VM與電網(wǎng)中點(diǎn)的電位近似相同，因而通過雙向開關(guān)S1、S2、S3可分別控制對(duì)應(yīng)相上的電流。開關(guān)合上時(shí)對(duì)應(yīng)相上的電流幅值增大，開關(guān)斷開時(shí)對(duì)應(yīng)橋臂上的二極管導(dǎo)通(電流為正時(shí)，上臂二極管導(dǎo)通；電流為負(fù)時(shí)，下臂二極管導(dǎo)通)。在輸出電壓的作用下Boost電感上的電流減小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制。其控制電路采用三個(gè)控制芯片UC3854A，相電壓通過三相隔離變壓器向UC3854A提供同步信號(hào)和預(yù)校正信號(hào)，電流反饋采用霍爾電流互感器，分別控制三個(gè)開關(guān)，形成三個(gè)電流反饋內(nèi)環(huán)和一個(gè)電壓反饋外環(huán)的多閉環(huán)系統(tǒng)。該電路的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，每相僅需一個(gè)功率開關(guān)。具有三電平特性諧波電流小，開關(guān)管電壓電流應(yīng)力小。不需要中線，無三次諧波，滿載時(shí)功率因數(shù)很高。開關(guān)應(yīng)力小，關(guān)斷壓降低，開關(guān)損耗低，共模EMI低。

圖4 三相三開關(guān)三電平APFC電路拓?fù)鋱D

DC/DC功率變換器采用半橋電路拓?fù)洌β势骷?，控制?jiǎn)單，可靠性高。如圖5所示，采用MOSFET和IGBT并聯(lián)技術(shù)，充分利用了MOSFET開關(guān)速度快和IGBT導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點(diǎn)。在電路上采取措施，使得MOSFET的關(guān)斷時(shí)間比IGBT延遲一定的時(shí)間，大大減小了IGBT的電流拖尾，降低了開關(guān)通態(tài)損耗，提高了效率和可靠性，使得半橋電路的輸出功率可以實(shí)現(xiàn)7kW。其輸出側(cè)采用的整流方式有半波整流，中心抽頭全波整流及全橋整流。由于輸出電壓較高，全橋整流對(duì)變壓器利用率高，比較適合用于這種場(chǎng)合。

圖5 MOSFET/IGBT并聯(lián)組合開關(guān)電路

圖6 PWM強(qiáng)迫均流法工作框圖

系統(tǒng)采用PWM強(qiáng)迫均流法，工作框圖如圖6所示。這是一種系統(tǒng)電壓控制和強(qiáng)迫均流相結(jié)合的改進(jìn)方法，其工作原理是將系統(tǒng)母線電壓Us和系統(tǒng)的基準(zhǔn)電壓Ur相比較產(chǎn)生誤差電壓Ue，用該誤差電壓控制PWM調(diào)制器，得到的PWM信號(hào)去控制每一模塊的電流。每個(gè)模塊的電流要求信號(hào)都是相同的，PWM信號(hào)通過光耦與模塊的輸出電流進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)模塊參考電壓，從而改變輸出電壓，調(diào)節(jié)輸出電流，實(shí)現(xiàn)均流。這樣，每個(gè)模塊都相當(dāng)于電壓控制的電流源。這種均流方式精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，可控制模塊多，可以很方便地組成冗余系統(tǒng)。強(qiáng)迫均流依賴于某一模塊，如果該模塊失效，則無法均流，所以必須設(shè)計(jì)模塊故障退出功能。在強(qiáng)迫均流中，系統(tǒng)模塊數(shù)可達(dá)100個(gè)，即使模塊電壓相差較大，參數(shù)設(shè)置好后不需任何調(diào)整，均流精度優(yōu)于1％,負(fù)載響應(yīng)快，無振蕩現(xiàn)象，滿足應(yīng)用需要。