電動汽車充電器電路拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)考慮
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另外，在電壓源型變換器中，開關(guān)器件的電壓得到很好的限制，但在全橋和半橋 圖12給出這些基本的諧振變換器
圖13 串并聯(lián)LLCC諧振變換器
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)，如圖14所示。輸出電壓可采用變頻控制。然而，為了優(yōu)化感應(yīng)耦合器性能，一般設(shè)計(jì)為高頻對應(yīng)于輕載工作，低頻對應(yīng)于重載工作，從而在頻率變化范圍內(nèi)，變換器的開關(guān)損耗基本保持恒定。
圖14 串并聯(lián)諧振的兩種軟開關(guān)工作模式
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(shí)輸出電壓控制特性比較差，需要采用其他的一些控制技術(shù)。一種方案是使用輸入Boost級調(diào)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(shù)在相關(guān)文獻(xiàn)中都有較詳細(xì)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情況進(jìn)行充電。充電器對應(yīng)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(shí)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，如圖15所示。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(shù)等[11]。
圖15 有源輸入整流電路
為了進(jìn)一步提高變換效率，允許高頻工作，可以采用如圖16所示的ZVT電路。利用輔助電路實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)器件的ZVT，主開關(guān)仍為PWM控制。
圖16 ZVT三相Boost整流輸入電路
如前所述，高功率充電模式通常只在充電站使用。因?yàn)?，充電站可能會裝有多個充電器，每個充電器均采用單獨(dú)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(shè)計(jì)，可為整個充電站配備一個專門的PFC或諧波補(bǔ)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，如圖17所示。
圖17 配備專門的PFC或諧波補(bǔ)償器的充電器系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)
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(cè)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(guān)PWM逆變器電路，或采用軟開關(guān)逆變器，從而工作在更高開關(guān)頻率，提高控制帶寬，對更高階的諧波進(jìn)行補(bǔ)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。圖18給出了有源箝位諧振直流環(huán)節(jié)逆變器功率電路。
圖18 有源嵌位諧振直流環(huán)節(jié)逆變器功率電路
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(diào)節(jié)（DPM，Discrete Pulse Modulation）控制，開關(guān)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(yīng)很高的峰值電流。因此，應(yīng)當(dāng)考慮采用ZVS或ZCS諧振全橋拓?fù)鋪碛行Ы档蛽p耗。
如前所述，串并聯(lián)全橋諧振型變換器是可選拓?fù)?，它滿足了感應(yīng)耦合充電變換器的所有設(shè)計(jì)考慮，并且完全利用了感應(yīng)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(dǎo)通損耗和高頻能力的IGBT具有較大的吸引力。由于感應(yīng)耦合器優(yōu)化設(shè)計(jì)的頻率范圍為70～300kHz，因此，需要軟開關(guān)技術(shù)來優(yōu)化IGBT的性能。文獻(xiàn)[10]中結(jié)果表明：在ZVS情況下，IGBT關(guān)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(guān)斷，減小了關(guān)斷損耗，使IGBT能夠更好地用于高開關(guān)頻率下。
為了進(jìn)一步降低器件電流應(yīng)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(shí)感應(yīng)耦合器可以采用2∶1的匝比。從而當(dāng)副邊采用4匝時(shí)，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(shí)必須采用定額為1200V/400A的IGBT。
5 結(jié)語
本文根據(jù)SAEJ-1773對感應(yīng)耦合器的規(guī)定，對電動汽車供電電池的充電器進(jìn)行了討論。根據(jù)感應(yīng)耦合器的標(biāo)準(zhǔn)及不同的充電模式，確定了與感應(yīng)耦合器相匹配的充電器的幾種設(shè)計(jì)方案，對適合不同充電模式的電路拓?fù)溥M(jìn)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?fù)浞桨浮?/span>
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