高性能車(chē)載充電機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)

王平來(lái),李小偉,張立功

（1.山東省汽車(chē)電子重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所,濟(jì)南 250014）

電動(dòng)汽車(chē)作為新型代步交通工具，車(chē)載充電機(jī)是其不可缺少的配套充電設(shè)備，對(duì)車(chē)載充電機(jī)的研究顯得尤為重要。一款成功的高性能的車(chē)載充電機(jī)要能抑制諧波、功率因數(shù)高、效率高等特點(diǎn)。本文根據(jù)上述特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款2kw的車(chē)載充電機(jī)。

有源功率因數(shù)校正電路（APFC）能有效抑制諧波，提高功率因數(shù)。而軟開(kāi)關(guān)技術(shù)能有效提高充電機(jī)的效率。本文將二者結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)了一款高性能指標(biāo)的車(chē)載充電機(jī)，并進(jìn)行了波形測(cè)試及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 車(chē)載充電機(jī)硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及原理

1.1 APFC拓?fù)浼霸?/h3>

功率因數(shù)校正有多種拓?fù)潆娐?，比如boost、buck、buckfly等電路。本文采用BOOST電路拓?fù)洌鐖D1所示，因其電流連續(xù)、電流波形失真小、輸出功率大、儲(chǔ)能電感同時(shí)具有抑制RFI和EMI噪聲的功能。

狀態(tài)分析：當(dāng)S通、VD斷時(shí)，假設(shè)此狀態(tài)持續(xù)時(shí)間為T(mén)1，可得到狀態(tài)方程，解得，其中為第K時(shí)刻的輸入電壓值。當(dāng)S斷、VD通時(shí)，假設(shè)此狀態(tài)持續(xù)時(shí)間為t2，可得狀態(tài)方程，解得：。當(dāng)S斷、VD斷時(shí)，假設(shè)此狀態(tài)持續(xù)時(shí)間為t3，得狀態(tài)方程。由上述公式可知，是跟隨輸入電壓變化的半波正弦函數(shù)，如圖2所示，其相位基本相同且輸入電流波形近乎正弦波，所以功率因數(shù)接近于1。

當(dāng)電感電流臨界連續(xù)時(shí)，t3=0，可知電感電流的包絡(luò)線仍為半波正弦函數(shù)形式。弱電感電流連續(xù)，則表現(xiàn)為電感電流正弦變化的基波上迭加隨斬控頻率變化的高頻鋸齒波，鋸齒波的幅度與電感量及斬控頻率有關(guān)。

圖1 APFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 平均電流控制的電感電流

1.2 逆變整流拓?fù)浼霸?/h3>

逆變電路采用副邊無(wú)源鉗位軟開(kāi)關(guān)移相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示S1、S3為超前臂，S2、S4為滯后臂。其軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)，超前臂的零電壓開(kāi)關(guān)依靠變壓器漏感和超前臂的并聯(lián)電容實(shí)現(xiàn)，滯后臂的零電流開(kāi)關(guān)通過(guò)變壓器二次測(cè)鉗位電容在換相期間鉗位電壓強(qiáng)迫一次側(cè)電流復(fù)位到零實(shí)現(xiàn)。此種軟開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，所需器件簡(jiǎn)單，不需要額外有源元件等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 逆變整流主回路

2 主回路參數(shù)設(shè)計(jì)

2kw高性能車(chē)載充電機(jī)的額定輸出電壓為96V，額定電流為20A，輸入單相交流電160V-240V整流后經(jīng)APFC電路得到400V直流母線電壓，開(kāi)關(guān)頻率fs取50KHZ。

（1）apfc電感設(shè)計(jì)。1）輸入電流峰值的最大值確定：電感應(yīng)當(dāng)在最大電流時(shí)避免飽和。交流輸入電壓最小時(shí)，其峰值能達(dá)到最大，再考慮到期效率假設(shè)為0.92；2）電感中紋波電流峰峰值。一般最大峰峰值可取輸入電流的20%；3）確定輸入電壓峰值時(shí)的最大占空比；4）電感量的計(jì)算：經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，調(diào)整為1mh。

（2）主變壓器的設(shè)計(jì)。1）選定工作頻率在100khz，鐵氧體磁芯完全能夠滿足要求；2）磁芯規(guī)格的選擇。鐵芯的窗口面積乘積為：通過(guò)查表選擇雙EE55磁芯。式中：V1I1為輸入功率；V2I2為輸出功率；K0為窗口利用系數(shù)，一般取0.2-0.4；Kf為波形系數(shù)，方波為4；3）原邊繞組匝數(shù)選擇；4）副邊匝數(shù)選擇

（3）鉗位電容的設(shè)計(jì)。其作用主要有兩個(gè)：一是鉗位整流二極管的電壓，從而降低二極管的電壓應(yīng)力；二是超前臂關(guān)斷后，鉗位電容上的電壓反射到原邊，抵消漏感的能量，使得原邊電流迅速降低，實(shí)現(xiàn)滯后臂的零電流開(kāi)關(guān)。本文中漏感選擇20uh。

電容上存儲(chǔ)的能量為：一次測(cè)漏感能量為：為了抵消原邊漏感的能量，電容上存儲(chǔ)的能量要大于漏感存儲(chǔ)的能量，即整理得：最終經(jīng)過(guò)試驗(yàn)選擇容值為200nf。

3 實(shí)驗(yàn)波形及結(jié)果分析

圖4中藍(lán)色為超前上橋臂驅(qū)動(dòng)波形，黃色為超前上DS間波形，由上圖可知超前臂實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通關(guān)斷；圖中紅色為滯后下DS間波形，紫色為回路電流波形，由圖可知，滯后臂基本實(shí)現(xiàn)了零電流開(kāi)通關(guān)斷。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)車(chē)載充電機(jī)的要求越來(lái)越高，高頻化小型化高效化低諧波車(chē)載充電機(jī)成為發(fā)展的趨勢(shì)。本文研究了帶有源功率因數(shù)校正的移相全橋軟開(kāi)關(guān)車(chē)載充電機(jī)，對(duì)其工作原理和性能做了分析并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，證明了充電機(jī)的可行性和有效性。

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