電動汽車充電器電路拓撲(三)

m.vidsb.com 來源：電源技術應用　　　電動車商情網(wǎng) 作者：俠名類別：電動車維修時間：2004-5-31

4.2 充電模式2 這是電動汽車的一種正常充電模式，充電過程一般在家庭和公共場所進行，要求給使用者提供良好的使用界面。充電模式2的充電功率等級是6.6kW。 230V/30A規(guī)格的標準電網(wǎng)電源足以給這種負載供電。其典型的充電時間為5～8h。與充電模式1中充電功率變換器相類似，充電模式2也可采用單級AC/DC變換器。但由于帶PFC功能的單級變換器，開關管的峰值電流很高，因而最好采用兩級變換器。其中，PFC級可采用傳統(tǒng)的Boost升壓型電路，開關管采用軟開關或硬開關均可。但為了提高效率，更傾向于選擇軟開關Boost變換器。圖8給出兩種采用無損吸收電路的軟開管Boost變換器主電路功率級。若電網(wǎng)輸入電壓為230V，則輸出電壓可以調節(jié)到400V以上。這使得后級變換器的設計變得容易，感應耦合器可以取1∶1的匝比。因此，如果電池最高電壓為400V，則前級輸出電壓可以采用DC450V。與采用帶附加有源開關輔助電路的軟開管Boost變換器功率級相比，無損吸收軟開管Boost變換器功率級因無需有源器件，因而更具優(yōu)勢。因其開關管的關斷dv/dt得到了控制，開通為零電壓開通，且主開關管上的電壓應力為輸出電壓，因而整機性能得到大大改進。對于6.6kW的功率定額，450V的輸出電壓，需要采用600V/60A的MOSFET�？筛鶕�(jù)應用場合需要，整機設計可選擇單模塊或多模塊并聯(lián)方案。對于后級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)的拓撲適合采用。其中一種形式是圖11所示的全橋型變換器。原邊電路中采用串聯(lián)電感，從而感應耦合器的漏感被有效利用起來，磁化電感也可利用來擴大變換器ZVS的工作范圍。對于450V的輸入總線電壓，可以采用1∶1的匝比，也即原邊繞組和副邊繞組均采用4匝線圈。橋式結構的變換器拓撲的缺點之一是峰值電流較高，特別在低壓輸入時峰值特別高。此外對應輕載時，變換器進入斷續(xù)工作狀態(tài)，主開關管的開通損耗增加，調節(jié)特性變差。因而，通常要保證一個最小負載電流，確保ZVS。另一類具有高頻電流源特性的變換器拓撲是諧振變換器。文獻對這些變換器拓撲進行了分類，分為電流型和電壓型。在電流型變換器中，變換器由電流源供電。在這類拓撲中，電流得到有效的控制。但其缺陷是開關管上承受的電壓未得到有效控制。因為，大多數(shù)功率器件對過流的承受能力比過壓的承受能力要強。另外，在電壓源型變換器中，開關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。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。為了有效利用感應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。一種拓撲形式的串并聯(lián)LLCC諧振變換器，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耦合器得到了很好的匹配，頗具吸引力。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)，輸出電壓可采用變頻控制。然而，為了優(yōu)化感應耦合器性能，一般設計為高頻對應于輕載工作，低頻對應于重載工作，從而在頻率變化范圍內，變換器的開關損耗基本保持恒定。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。一種方案是使用輸入Boost級調節(jié)輸出電壓，另一種方案是采用PWM或移相控制。這兩種控制技術在相關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(Journey)情況進行充電。充電器對應高功率特性（>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，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)字控制技術等[11]。為了進一步提高變換效率，允許高頻工作，可以采用ZVT電路。利用輔助電路實現(xiàn)了主開關器件的ZVT，主開關仍為PWM控制。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。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PWM逆變器電路，或采用軟開關逆變器，從而工作在更高開關頻率，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。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節(jié)（DPM，Discrete Pulse Modulation）控制，開關頻率較高，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很高的峰值電流。因此，應當考慮采用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，它滿足了感應耦合充電變換器的所有設計考慮，并且完全利用了感應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，具有相對較小導通損耗和高頻能力的IGBT具有較大的吸引力。由于感應耦合器優(yōu)化設計的頻率范圍為70～300kHz，因此，需要軟開關技術來優(yōu)化IGBT的性能。文獻[10]中結果表明：在ZVS情況下，IGBT關斷損耗仍然較大，管芯溫度較高；而ZCS可使得IGBT在ZCS情況下關斷，減小了關斷損耗，使IGBT能夠更好地用于高開關頻率下。為了進一步降低器件電流應力，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 結語本文根據(jù)SAEJ1773對感應耦合器的規(guī)定，對電動汽車供電電池的充電器進行了討論。根據(jù)感應耦合器的標準及不同的充電模式，確定了與感應耦合器相匹配的充電器的幾種設計方案，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。(秦海鴻朱德明嚴仰光)