電動汽車充電站電源模塊設計

張志全，顏鋼鋒

（浙江大學電氣工程學院，浙江 杭州 310027）

由于環(huán)境與能源的壓力，電動汽車將是汽車發(fā)展的一個方向和趨勢，電動汽車的普及與廣泛應用還存在著不少待解決的問題，其中的一個關(guān)鍵技術(shù)就是電動汽車的充電技術(shù)。目前電動汽車主要有以下充電方式：常規(guī)充電、快速充電、無線充電、更換電池[1]，其中更換電池的優(yōu)點是電動車電池不需現(xiàn)場充電，更換電池時間較短，更換下來的電池可以由充電站統(tǒng)一充電。由于充電站每天換下來的電池數(shù)量不同，甚至型號不同，對充電電源的電壓、電流、功率的要求多樣。面對電動汽車充電站這種需求，本文設計了一種電壓0～100 V可調(diào)、電流0～100 A可調(diào)、最大功率為10 kW的電動汽車充電模塊，該電源模塊既可以獨立的作為一個可調(diào)電壓、電流源來使用，亦可把多個模塊進行串并聯(lián)來使用，以實現(xiàn)更大電壓、電流、功率的要求。

1 電路結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1所示為該電源模塊總體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)主要由三相整流模塊、全橋IGBT功率模塊、高頻變壓器、輸出濾波電感、輸出濾波電容和主控制電路組成[2]。

該系統(tǒng)的輸出分為兩種方式：恒壓輸出和恒流輸出。因此該系統(tǒng)的反饋回路有兩路：一路是內(nèi)環(huán)為限流環(huán)，外環(huán)為電壓環(huán)的反饋回路（恒壓輸出方式）；另一路是只有電流環(huán)的反饋回路（恒流輸出方式）。兩路反饋信號經(jīng)過一個多路模擬選擇器（由單片機控制）送入移相控制芯片UCC3895，產(chǎn)生PWM信號，再經(jīng)過IGBT驅(qū)動電路來控制IGBT。在恒壓模式下內(nèi)環(huán)的限流環(huán)可以起到限流的作用。在恒流模式下，系統(tǒng)的最大輸出電壓即為全橋電路以最大占空比輸出時的電壓，不需要限壓，只有一個電流環(huán)。

系統(tǒng)中的電壓、電流環(huán)均是限幅PI調(diào)節(jié)器，由硬件電路來實現(xiàn)，以達到該電源模塊負反饋的快速性，而電壓參考Uref，電流參考Iref，恒壓和恒流兩個工作模式的選擇，過壓、欠壓、過流、過溫保護以及和計算機的通信都是由單片機來完成的，以實現(xiàn)該電源模塊的靈活性。

1.2 主功率電路及反饋回路

全橋變換器的拓撲開關(guān)管的穩(wěn)態(tài)關(guān)斷電壓等于直流輸入電壓，而不是像推挽、單端正激或交錯正激拓撲那樣為輸入電壓的兩倍，且全橋變換器的輸出是具有正負的全波，不會造成變壓器磁芯的偏磁，廣泛用于大功率電源中，因此該電源采用全橋變換器拓撲結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 功率單元拓撲結(jié)構(gòu)

VS1、VS2組成變換器的超前橋臂，VS3、VS4組成變換器的滯后橋臂，Lk為變壓器漏感，Cb為隔直電容，用于平衡變壓器伏秒值，防止變壓器偏磁。變壓器變比為3∶1，變壓器次級輸出采用全橋整流。該拓撲利用變壓器漏感Lk和功率開關(guān)管的并聯(lián)電容C1、C2產(chǎn)生諧振來實現(xiàn)超前臂的零電壓開通與關(guān)斷。變壓器副側(cè)采用由Dh、Dr、Cc組成的輔助電路來實現(xiàn)滯后臂的零電流開通與關(guān)斷，改變對角線上開關(guān)管驅(qū)動信號之間的相位差來改變占空比，以達到調(diào)節(jié)電源輸出功率的目的[3]。其主要的工作波形如圖3所示。

圖3 主要工作波形

該全橋拓撲的超前臂實現(xiàn)ZVS的條件是在死區(qū)時間內(nèi)，要有足夠能量來抽走將要開通的開關(guān)管的并聯(lián)電容上的電荷，使電容電壓下降為零[4]。輸入電壓Vin=513 V，輸入電流最大為33 A，設在1 μs時達到ZVS，則有：

滯后臂要實現(xiàn)ZCS，要求原邊電流在超前管關(guān)斷后到滯后管關(guān)斷前這段時間里，能夠減小到零[4]，所以電容Cc上儲存的能量要大于變壓器漏感中的能量。電容與電感上儲存的能量分別為：

由 Wc=WL，得：

式中：Vin=513 V；Vo=100 V；Iin=33 A；K＝3；實際測得Lk=8 μH；計算得 Cc=0.43 μF。

該電源模塊能夠串并聯(lián)，要求反饋電壓、電流信號必須和主電路的參考地沒有關(guān)系，因此該電源模塊的電流采樣采用霍爾電流傳感器，而電壓采樣則采用差分信號反饋（如圖4所示），它只和輸出電壓正負兩端的電壓差有關(guān)系。在兩個模塊串聯(lián)的時候，上下兩個電源模塊的V－端的電壓是不一樣的，但這對每個電源模塊的電壓反饋是沒有任何影響的。另外控制電和主電路也是隔離的，因此該電源模塊可以實現(xiàn)串并聯(lián)。

如圖4所示，電壓反饋信號V+和V－經(jīng)過一個差分式減法電路得到電壓反饋信號Vo。

圖4 電壓、電流反饋回路

從傳遞函數(shù)可以看出該調(diào)節(jié)器由一個PI調(diào)節(jié)器和一個濾波調(diào)節(jié)器組成[5]。調(diào)節(jié)R5和R6的比值即改變比例系數(shù)，調(diào)節(jié)R5和C1即可改變積分常數(shù)。該調(diào)節(jié)器也可以提供一個原點極點、一個低頻零點和一個高頻極點的補償網(wǎng)絡，選擇合適的參數(shù)可以調(diào)節(jié)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與快速性。圖4中的穩(wěn)壓管對調(diào)節(jié)器起到限幅的作用。

1.3 IGBT驅(qū)動

如圖5所示，在本電源模塊中，IGBT驅(qū)動電路是由變壓器和光耦組成。交流15 V輸入（由直流15 V經(jīng)過由MOSFET組成的H橋逆變得到）送入一個多抽頭高頻變壓器（工作頻率為30 kHz）。變壓器副側(cè)輸出經(jīng)全波整流濾波后給光耦供電。每個驅(qū)動電路驅(qū)動一個IGBT。

圖5 IGBT驅(qū)動電路

該驅(qū)動電路的特點有：(1)產(chǎn)生導通IGBT所需要的正向柵極電壓VGE，當光耦導通時，Vo輸出電壓為VCC，相對于變壓器中點電壓VE是一個正的驅(qū)動電壓。(2)產(chǎn)生IGBT關(guān)斷所需要的負壓VGE，當光耦關(guān)斷時，Vo輸出電壓為VEE，相對于變壓器中點電壓VE是一個負的關(guān)斷電壓，可以快速關(guān)斷IGBT，并且可以有效防止由于IGBT快速關(guān)斷帶來的誤導通，保證IGBT安全、可靠地工作。(3)驅(qū)動電路與主電路和控制電路均是隔離的，另外控制光耦的兩路PWM信號是同一個橋臂的上下兩個管子的PWM信號，這樣只有PWMA為高、PWMB為低時，光耦才會導通，下管的驅(qū)動是相反的，可以防止兩只管子同時導通。(4)IGBT的柵射極之間并接兩只反串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管，可以有效抑制驅(qū)動電路出現(xiàn)的高壓尖脈沖，這對IGBT起到了保護作用[5]。(5)4個驅(qū)動電路彼此之間幾乎沒有相互干擾，因為它們采用的是不同變壓器。有很多電源的控制和驅(qū)動供電采用的是TOPSwitch結(jié)構(gòu)，用一個變壓器產(chǎn)生多組隔離的電壓，來提供關(guān)斷IGBT時所需要的負壓，但它們彼此之間很容易引進干擾，本電源采用驅(qū)動方法沒有這些缺點。

1.4 電源模塊的串并聯(lián)

該電源模塊可以當作一個獨立的電源來使用，也可以串并聯(lián)使用。當多個模塊進行串并聯(lián)時，只需要在上層用一個控制器來給定各個電源模塊的電壓、電流值即可，當然各模塊的電壓、電流給定是根據(jù)負載和電源之間的回流而時時變化的，來實現(xiàn)各電源模塊之間的均流、均壓。這樣設計的優(yōu)點是電源使用起來非常靈活，可以單獨使用，可以串并聯(lián)使用，非常適合給電動汽車充電站使用，以滿足其各種不同功率的充電要求。

2 實驗結(jié)果分析

根據(jù)上面的設計，研制了一臺功率為10 kW的實驗樣機，部分實驗波形如圖6所示。

由圖6可以看到驅(qū)動電路提供的負電壓可以保證在IGBT關(guān)斷時，VGE在0 V以下，而且驅(qū)動電路的抗干擾能力很好。超前臂IGBT開通時，VCE已經(jīng)為零，關(guān)斷時VCE緩慢上升，實現(xiàn)了ZVS。

由圖7可以看出滯后臂IGBT開通時，電流上升緩慢，關(guān)斷時電流已經(jīng)為零，實現(xiàn)了ZCS。

3 結(jié)論

本文設計了一種適合電動汽車充電的電源，該電源采用了全橋變換器拓撲和硬件電壓電流環(huán)。在超前臂IGBT并聯(lián)適合的電容，在變壓器副邊增加簡單的輔助電路，實現(xiàn)了移相全橋ZVS、ZCS軟開關(guān)技術(shù)，大大降低IGBT開關(guān)器件的損耗。本文設計的變壓器加光耦的IGBT驅(qū)動電路可以實現(xiàn)IGBT的可靠開關(guān)，并且抗干擾能力很好，經(jīng)實驗驗證具有非常好的效果。最后樣機的實現(xiàn)證明了本設計的可行性。

[1]魯莽，周小兵，張維.國內(nèi)外電動汽車充電設施發(fā)展狀況研究[J].華中電力，2010，23(5)：16-30.

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[3]張永鋒，黃自龍，楊旭，等.12 kW移相全橋PWM變換器的設計[J].電力電子技術(shù)，2006，40(4)：50-52.

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[5]胡壽松.自動控制原理[M].北京：科學出版社，2001：234-236.