電動汽車充電器電路拓撲(三)

www.sail-shipping.com 來源：電源技術應用　　　電動車商情網作者：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規格的標準電網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。若電網輸入電壓為230V，則輸出電壓可以調節到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。可根據應用場合需要，整機設計可選擇單模塊或多模塊并聯方案。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，變換器進入斷續工作狀態，主開關管的開通損耗增加，調節特性變差。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、并聯和串并聯諧振3種類型。在串聯諧振變換器中，諧振電感與變壓器原邊串聯，而其他類型變換器中，電容與變壓器串聯。只有串聯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諧振變換器。一種拓撲形式的串并聯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，或低于諧振頻率的ZCS狀態，輸出電壓可采用變頻控制。然而，為了優化感應耦合器性能，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，降低輸入電網諧波，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體積龐大，成本大大增加。為簡化系統設計，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，可以選用串聯或并聯方式的有源濾波方案。有源濾波器可以采用傳統硬開關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。諧振直流環節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PWM變換器不同的是，諧振直流環節逆變器采用離散脈沖調節（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。由于感應耦合器優化設計的頻率范圍為70～300kHz，因此，需要軟開關技術來優化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SAEJ1773對感應耦合器的規定，對電動汽車供電電池的充電器進行了討論。根據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)