大功率電動汽車充電機的設計

圖2 充電機控制結構示意圖

開關電源主回路設計
電動汽車充電機采用的大功率高頻開關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三相交流輸入進行濾波整流，功率因數校正預穩壓800V后經高頻DC/DC半橋功率變換器，濾波輸出直流700V為動力蓄電池充電。經過分析計算，變壓器采用雙E65磁芯，初級線圈12匝，則根據輸出電壓最高700V、輸入電壓最低780V、最大占空比0.95可求得次級繞組圈數N2，N2=(12/780)×(700/0.95)=11.33，考慮漏感、次級整流壓降等因素取N2為12匝。

圖3 充電機電源的原理框圖

由于電動汽車充電機為非線性負荷，會產生諧波，對電網是一種污染。必須采取有效措施，如功率因數校正或無功補償等技術，限制電動汽車充電機進入電網的總諧波量。為提高功率因數，降低輸入電網諧波，采用有源功率因數校正電路，如圖4所示。它采用三相三開關三電平BOOST電路，工作在連續模式，開關采用兩個MOSFET組合成的雙向開關。圖中，開關S1，S2，S3是雙向開關。由于電路的對稱性，電容中點電位VM與電網中點的電位近似相同，因而通過雙向開關S1、S2、S3可分別控制對應相上的電流。開關合上時對應相上的電流幅值增大，開關斷開時對應橋臂上的二極管導通(電流為正時，上臂二極管導通；電流為負時，下臂二極管導通)。在輸出電壓的作用下Boost電感上的電流減小，從而實現對電流的控制。其控制電路采用三個控制芯片UC3854A，相電壓通過三相隔離變壓器向UC3854A提供同步信號和預校正信號，電流反饋采用霍爾電流互感器，分別控制三個開關，形成三個電流反饋內環和一個電壓反饋外環的多閉環系統。該電路的優點在于結構簡單，每相僅需一個功率開關。具有三電平特性諧波電流小，開關管電壓電流應力小。不需要中線，無三次諧波，滿載時功率因數很高。開關應力小，關斷壓降低，開關損耗低，共模EMI低。

圖4 三相三開關三電平APFC電路拓撲圖

DC/DC功率變換器采用半橋電路拓撲，功率器件少，控制簡單，可靠性高。如圖5所示，采用MOSFET和IGBT并聯技術，充分利用了MOSFET開關速度快和IGBT導通壓降低的優點。在電路上采取措施，使得MOSFET的關斷時間比IGBT延遲一定的時間，大大減小了IGBT的電流拖尾，降低了開關通態損耗，提高了效率和可靠性，使得半橋電路的輸出功率可以實現7kW。其輸出側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，全橋整流對變壓器利用率高，比較適合用于這種場合。

圖5 MOSFET/IGBT并聯組合開關電路

圖6 PWM強迫均流法工作框圖

系統采用PWM強迫均流法，工作框圖如圖6所示。這是一種系統電壓控制和強迫均流相結合的改進方法，其工作原理是將系統母線電壓Us和系統的基準電壓Ur相比較產生誤差電壓Ue，用該誤差電壓控制PWM調制器，得到的PWM信號去控制每一模塊的電流。每個模塊的電流要求信號都是相同的，PWM信號通過光耦與模塊的輸出電流進行比較，調節模塊參考電壓，從而改變輸出電壓，調節輸出電流，實現均流。這樣，每個模塊都相當于電壓控制的電流源。這種均流方式精度高，動態響應好，可控制模塊多，可以很方便地組成冗余系統。強迫均流依賴于某一模塊，如果該模塊失效，則無法均流，所以必須設計模塊故障退出功能。在強迫均流中，系統模塊數可達100個，即使模塊電壓相差較大，參數設置好后不需任何調整，均流精度優于1％,負載響應快，無振蕩現象，滿足應用需要。