基于IGBT的直流充電機裝置設(shè)計

李小偉，王知學(xué)，王 勇

（1.山東省科學(xué)院 自動化研究所，山東 濟南 250014；2.山東省汽車電子技術(shù)重點實驗室 山東 濟南 250014）

隨著國家十二五電動汽車規(guī)劃的頒布，未來五到十年內(nèi)，中國電動汽車將會得到快速的發(fā)展，但目前制約電動汽車發(fā)展的因素主要體現(xiàn)在諸如鋰電池等能源裝置價格以及充電裝置技術(shù)的完善上，電動汽車發(fā)展越迅速，對大功率充電設(shè)備的要求也越來越高。原有小功率充電裝置中主要采用了MOSFET等小功率器件，在大功率充電設(shè)備中，越來越需要高壓大功率IGBT器件來實現(xiàn)逆變電源部分，IGBT屬于全控型器件，載流能力大，可承受電壓高的優(yōu)點集于一身，性能十分優(yōu)越，使之成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導(dǎo)器件[1]，所以采用IGBT可減少原有小功率充電模塊并接實現(xiàn)大功率充電裝置的現(xiàn)狀，減少成本及設(shè)備占用體積。

1 工作原理

該系統(tǒng)主要為動力鋰電池充電設(shè)計的，直流充電機充電模塊由三相無源PFC和DC/DC兩個功率部分組成。在兩功率部分之外還有輔助電源以及輸入輸出檢測保護電路。

前級三相無源PFC電路由輸入EMI和無源PFC組成，用以實現(xiàn)交流輸入的整流濾波和輸入電流的校正，使輸入電路的功率因素大于0.92，以滿足DL/T781-2001中三相諧波標準和GB/T 17794.2.2-2003中相關(guān)EMI、EMC標準。后級的DC/DC電路由DC/DC變換器及其控制電路、整流濾波、輸出EMI等部分組成，用以實現(xiàn)將前級整流電壓轉(zhuǎn)換成符合電動汽車充電要求的穩(wěn)定的直流電壓輸出。輔助電源在輸入無源PFC之后，DC/DC變換器之前，利用三相無源PFC的直流輸出，產(chǎn)生控制電路所需的各路電源。輸入檢測電路實現(xiàn)輸入過欠壓、缺相等檢測。DC/DC的檢測保護電路包括輸出電壓電流的檢測，散熱器溫度的檢測等，所有這些信號用以DC/DC的控制和保護。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

該充電裝置主要由主回路、控制回路、驅(qū)動電路及保護電路等部分組成，在輸入三相交流電后，系統(tǒng)經(jīng)過整流、逆變和整流過程后輸出所需要的直流充電電壓，各部分的組成及工作原理如下。

2.1 主回路

主回路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 主回路結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the main circuit

主回路中IGBT器件組成了DC/AC高頻逆變電路，IGBT它是MOSFET和BJT的復(fù)合，它把MOSFET的驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快得優(yōu)點和BJT的通態(tài)壓降小、載流能力大、可承受電壓高的優(yōu)點集于一身，具有輸入阻抗高、開關(guān)頻率高、熱穩(wěn)定性好、易觸發(fā)和能承受高壓強流等特點[2]，所以此地大功率充電模塊逆變環(huán)節(jié)設(shè)計采用了IGBT器件。該部分采用了移相全橋軟開關(guān)拓撲，移相全橋軟開關(guān)的實質(zhì)就是利用諧振過程對并聯(lián)電容充放電，讓某一橋臂電壓快速升至電源電壓或者降至零值，使同一橋臂即將開通管的并接二極管導(dǎo)通，把該管兩端電壓鉗位在0 V，為ZVS創(chuàng)造條件[3]。

2.2 控制回路

控制回路采用基于UCC3895的移相全橋PWM變換器，UCC3895是TI公司生產(chǎn)的又一種高性能PWM移相型控制器。它是UC3879的改進型，除了具有UC38779的功能外，最大的改進是增加了自適應(yīng)死區(qū)設(shè)置，以適應(yīng)負載變化時不同的準諧振軟開關(guān)要求。新增加了PWM軟關(guān)斷能力。同時由于它采用了BCDMOS工藝，使得它的功耗更小，工作頻率更高，因而更加符合電力電子裝置高效率、高頻率、高可靠的發(fā)展要求[4]。如圖2所示為UCC3895連接圖。

圖2 UCC3895連接示意圖Fig.2 Structure diagram of the UCC3895 connection

2.3 驅(qū)動電路

柵極驅(qū)動電路有多種形式，以驅(qū)動電路與IGBT連接方式分為直接驅(qū)動、隔離驅(qū)動和集成化驅(qū)動[5]。本系統(tǒng)采用集成化驅(qū)動電路，目前市場上應(yīng)用較多的主要是富士公司的EXB系列和三菱的M579系列集成驅(qū)動電路。

本系統(tǒng)驅(qū)動電路采用三菱公司的M57962L集成電路，因其驅(qū)動可靠，價格低廉，被廣泛地應(yīng)用于N溝道IGBT驅(qū)動領(lǐng)域[6]。該驅(qū)動采用了雙電源結(jié)構(gòu)，2500V高電壓高隔離光耦合器和過電流保護集成在內(nèi)，驅(qū)動電路原理如圖3所示。

圖3 驅(qū)動電路示意圖Fig.3 Structure diagram of the drive circuit

2.4 保護電路

大功率直流充電裝置在使用過程中長期處于惡劣的工業(yè)現(xiàn)場中，如果沒有保護措施極易產(chǎn)生安全問題，對生命財產(chǎn)造成重大的損失，所以本系統(tǒng)需要設(shè)計保護完善的保護電路。保護電路主要包括信號調(diào)理及故障檢測電路，CPU系統(tǒng)。保護電路工作具體流程是：開始故障檢測電路檢測到過壓、過流或短路等故障信號，該信號通過信號調(diào)理電路輸入到CPU系統(tǒng)，CPU系統(tǒng)經(jīng)過分析后，發(fā)送關(guān)斷信號發(fā)送到UCC3895，封鎖UCC3895脈沖信號輸出端口。同時CPU根據(jù)系統(tǒng)故障類型控制直流充電裝置的工作狀態(tài)，由LCD人機界面顯示故障停機狀態(tài)。故障信號檢測電路圖如圖4所示。

圖4 故障檢測電路圖Fig.4 Fault detection circuit diagrams

3 結(jié) 論

該直流充電裝置經(jīng)過樣機硬件測試，實際應(yīng)用表明該系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、運行安全等特點，達到了設(shè)計要求。

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