電動(dòng)汽車車載充電器Boost PFC AC/DC變換器設(shè)計(jì)

　　確定電感量后，需選取合適的磁芯材料。APFC電路的升壓電感磁芯材料有：磁粉芯、鐵氧體磁芯和有隙非晶/微晶合金磁芯等。綜合分析，考慮鐵硅鋁磁粉芯的磁通密度(BS)高、體積小且不用開氣隙的優(yōu)點(diǎn)，選擇鐵硅鋁磁粉芯作為磁芯材料。

　　當(dāng)主電路電流很大時(shí)，電感會(huì)出現(xiàn)直流偏置，導(dǎo)致磁路飽和。電流越大，磁路飽和程度越大。故選擇電感磁芯時(shí)，需考慮磁路飽和的問題。綜合考慮，選取型號(hào)為KS184060A的鐵硅鋁磁芯60匝，當(dāng)磁路飽和程度最大時(shí)，電感量仍為110μH，略大于108μH.

　　3 PFC AC/DC變換器控制電路設(shè)計(jì)

　　控制電路采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)：外環(huán)為電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，電流環(huán)控制主電路輸入電流跟蹤參考電流，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。電壓環(huán)的輸出電壓與輸出參考電壓經(jīng)電壓誤差放大器比較后的輸出信號(hào)與前饋電壓和輸入電壓經(jīng)過乘法器運(yùn)算，得到電流環(huán)的輸入?yún)⒖茧娏?。通過電流環(huán)的調(diào)節(jié)，產(chǎn)生主電路開關(guān)管通斷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率因數(shù)校正且輸出穩(wěn)定的直流電壓。乘法器的作用主要為信號(hào)相乘，此處，本文重點(diǎn)研究電壓環(huán)和電流環(huán)的設(shè)計(jì)。

　　3.1電壓環(huán)設(shè)計(jì)

　　電壓環(huán)的作用之一是將輸出電壓的變化反饋給電流環(huán);作用之二是將二次諧波電壓衰減到指定水平，以降低輸入電流的畸變。另外，由于輸出電容的充、放電，輸出紋波電壓滯后輸入電壓，故電壓環(huán)的設(shè)計(jì)尚需兼顧考慮有足夠的相移，以保證輸出電壓紋波與輸入電壓同相位。綜上可知，需設(shè)置合理的補(bǔ)償電路，使得電壓環(huán)能夠滿足上述條件。

　　無補(bǔ)償時(shí)，電壓環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)表達(dá)式為：

　　式中：Pin為輸入功率，△V為電壓誤差放大器輸出電壓范圍。電壓開環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖如圖4中H曲線所示，二次諧波得不到衰減，導(dǎo)致輸入電流畸變變大，故需設(shè)置一個(gè)極點(diǎn)，使紋波電壓得到較好的衰減，同時(shí)將紋波電壓超前移相90°。

　　設(shè)計(jì)的補(bǔ)償電路傳遞函數(shù)為：

　　綜合考慮，配置極點(diǎn)頻率等于穿越頻率。此時(shí)，相位裕度為45°，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，且二次諧波得到了較大的衰減。加入補(bǔ)償后的電壓環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖如圖4中N曲線所示，二次諧波獲得了較大的衰減，且紋波電壓超前相移90°。

　　圖4補(bǔ)償前、后的電壓環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖

　　3.2電流環(huán)設(shè)計(jì)

　　電流環(huán)的作用是調(diào)節(jié)主電路輸入電流，使之跟蹤主電路輸入電壓，實(shí)現(xiàn)高PF控制。電流環(huán)的設(shè)計(jì)思路是通過補(bǔ)償電路的合理設(shè)計(jì)，增加其響應(yīng)速度，同時(shí)確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

　　無補(bǔ)償電路時(shí)，電流環(huán)由PWM比較器和功率級(jí)組成，開環(huán)傳遞函數(shù)表達(dá)式為：

　　電流開環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖如圖5中H曲線所示，電流環(huán)帶寬很窄，且高頻噪聲得不到很好的抑制。為此，通過低頻處設(shè)置零點(diǎn)，提高低頻增益，增加帶寬;同時(shí)，在高頻處設(shè)置極點(diǎn)，抑制開關(guān)噪音。設(shè)計(jì)的補(bǔ)償電路開環(huán)傳遞函數(shù)為：

　　為此，選取合適的截止頻率，設(shè)定零點(diǎn)頻率以及極點(diǎn)頻率，使系統(tǒng)的相位裕度在45°以上，同時(shí)兼顧使電流環(huán)滿足高增益和大帶寬設(shè)計(jì)需求。設(shè)定截止頻率為6.65 kHz，零點(diǎn)頻率為4.5 kHz，極點(diǎn)頻率為46 kHz，相位裕度為48°，加入補(bǔ)償電路后電流環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖如圖5中N曲線所示，加入補(bǔ)償后的電流環(huán)在低頻處，系統(tǒng)帶寬較大;在高頻處，開關(guān)噪聲獲得了較好的衰減;此外，系統(tǒng)相位裕度超過45°，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

　　圖5補(bǔ)償前、后電流環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖