（电力电子与电力传动专业论文）基于软开关全桥变换器的电动汽车充电电源设计.pdf

a bs t r a c t a b s t r a c t ：i np r e s e n tt i m e s ，e n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na r e i n c r e a s i n g l ys e r i o u s a i rp o l l u t i o nc a u s e db ym o t o rv e h i c l ee x h a u s t sa c c o u n t sf o ra l a r g ep r o p o r t i o ni nu r b a na i rp o l l u t i o n h o w e v e r , e l e c t r i cv e h i c l ea san o n p o l l u t i n g t r a n s p o r t a t i o nt o o l ，w i l lh a v eg r e a ta d v a n t a g e si nt h em a r k e t ，m e a n w h i l e ，t h ec h a r g i n g t e c h n o l o g y f o re l e c t r i cv e h i c l ei sa l s o c o n s t a n t l ya n dc o n t i n u o u s l yi m p r o v e da n d o p t i m i z e d a s2 0 0 8o l y m p i c si sa p p r o a c h i n g ，c h i n aw i l lu t i l i z ee l e c t r i cv e h i c l e s e x t e n s i v e l yi nb e i j i n gs u c ha si nt h eo l y m p i cv i l l a g et om a k et h e2 0 0 8b e i j i n go l y m p i c g a m e sar e a lg r e e no l y m p i cg a m e s u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t h et h e s i si n t e n d st o r e s e a r c ha n ds y s t e m i c a l l yd e s i g np o w e rs u p p l yf o rc h a r g i n gu pt h ee l e c t r i cv e h i c l e s ， p r e s e n t sac h a r g i n gp o w e rs u p p l ys y s t e m ，o fw h i c ht h em a i nc i r c u i tt o p o l o g yi sa z e r o v o l t a g ea n dz e r o - c u r r e n t ( z v z c s ) f u l l - b r i d g ec o n v e r t e rt o p o l o g y , r e s u l t i n gi na r e l a t i v e l yh i g hp o w e rf a c t o ra n dh i g he f f i c i e n c yc h a r g i n ge q u i p m e n t f i r s t l y ，t h et h e s i s s u m m a r i z e st h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no ft h ec h a r g e ra n dc h a r g ec o n t r o ls t r a t e g y , t h e nc o m p a r a t i v e l ys t u d i e sav a r i f yo fs o f t - s w i t c h i n gf u l lb r i d g et o p o l o g y , a n df i n a l l y s e l e c t san o v e lz e r o v o l t a g ea n dz e r o - c u r r e n t - s w i t c h i n gf u l l - b r i d g ec o n v e r t e ru s i n ga s i m p l ea u x i l i a r yc i r c u i t t h es i m p l ea u x i l i a r yc i r c u i t ，w h i c hc o n s i s t so fo n es m a l l c a p a c i t o ra n dt w os m a l ld i o d e s ，i sa d d e di nt h es e c o n d a r y t h es i m p l ea u x i l i a r yc i r c u i t ， w h i c hc o n s i s t so fo n es m a l lc a p a c i t o ra n dt w os m a l ld i o d e s ，i sa d d e di nt h es e c o n d a r y t h ea u x i l i a r yc i r c u i ti n c l u d e sn e i t h e rl o s s yc o m p o n e n t sn o ra d d i t i o n a la c t i v es w i t c h e s ， i t ss t r u c t u r ea n dc o n t r o lm e t h o di ss i m p l e i tc a np r o v i d ez v z c sc o n d i t i o n st op r i m a r y s w i t c h e s ，a sw e l la st oc l a m ps e c o n d a r yr e c t i f i e rv o l t a g e b a s e do nt h ep r e m i s eo ft h e r e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l y ，i t sp a r a m e t e r sw e r ed e s i g na n dc o m p u t e i na d d i t i o n ，s i n c e t h ec o n v e r t o r sl e a d i n gl e gs w i t c h e s z v sc a n n o tb er e a l i z e di nt h el i g h tl o a dp e r i o d ， t h en o v e lz v z c sf u l lb r i d g ec o n v e r t e rw a si m p r o v e d f i n a l l y , i ta c h i e v e ds o f t s w i t c hi n i t sa l ll o a dr a n g e t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n tv a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gt h e t o p o l o g yi ne l e c t r i cv e h i c l ec h a r g e r k e y w o r d s ：e l e c t r i c v e h i c l e ；c h a r g e r ；z e r o v o l t a g ez e r o c u r r e n ts w i t c h i n g ；i g b t ； u c c 3 8 9 5 c l a s s n o ：t m 9 1 0 6 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 鸯狨 导师签名： 签字日期：。话年f 月o 日 签字日期：办垃年月9 日 独创性声明 本人声明所晕交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究：l 作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证二转而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：v 如e 年月，口日 7 5 致谢 本论文的工作是在我的导师姜久春教授的悉心指导下完成的，姜久春教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢在两年 的时间里姜久春老师对我的关心和指导。 张维戈副教授和牛利勇博士悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上 和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向张维戈老师和牛利勇博士表示衷 心的谢意。 王健强老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，郑义、文锋、裴晓泽等同学对我论文的研究 工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父亲和母亲，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 序 电动汽车的强劲发展势头带动了电动汽车充电电源的研发。本人在研究生的 学习阶段，首先系统学习了实验室在动力蓄电池充电和放电方面的研究成果，自 己总结了目前电动汽车充电电源的研究现状和充电控制策略，将移相控制的零电 压零电流全桥软开关变换器应用到电动汽车充电电源。以可靠性为大前提，对充 电电源进行了参数设计，并进行了零电压零电流全桥软开关变换器的改进研究， 最终实现了功率因数和效率都较高的电动汽车充电电源，实验结果证明这种零电 压零电流全桥软开关变换器应用在充电电源中是切实可行有效的。由于学识水平、 实践经验以及时间等的限制，在很多方面做得还不够完善，需要做进一步的研究。 1 1研究背景及意义 第1 章引言 汽车自问世以来，已逐渐成为人们生产和生活中不可缺少的工具，成为现代 社会文明的重要组成部分；但是，汽车在其发展过程中，伴生了2 个严重问题：环 境污染和能源危机。 从世界范围看，剩余石油约为1 4 0 0 亿吨，未来几十年石油仍将是各国的重要 战略资源。目前全球石油年产量为3 2 亿吨，估计2 0 1 0 - - - 2 0 2 0 年将达到3 5 3 9 亿吨； 因此，地球上现已探明的石油储藏量只能满足人类充分使用4 0 - 5 0 年。从我国能 源与环境状况看，2 0 0 0 年进口石油7 0 0 0 万吨，预计2 0 1 0 年后将超过1 5 亿吨。 同时，随着汽车保有量的增加，汽车尾气对全球大气环境的污染也日益严重。 有关研究结果表明，各类机动车辆排气污染已占城市大气污染物的7 0 以上，其中 排放的一氧化碳对空气污染的分担率约为8 0 ，氮的氧化气体约为4 0 ，成为影响 城市居民生活质量的重要污染源。根据国家环保中心预测，2 0 1 0 年汽车尾气排放 量将占空气污染源的6 4 。如果进一步使用传统内燃机技术发展汽车工业，必将给 我国能源安全和环境保护造成巨大压力；传统汽车很难从根本上解决汽车排气污 染和能源问题。因此，开发低废气排量、低油耗的新型汽车成为当今汽车界的紧 迫任务。电动汽车作为无污染交通工具，具有很大的优越性。 随着新世纪的到来，世界各汽车工业先进国家都将研发节能、环保型电动汽 车、混合燃料汽车和燃料电池汽车作为本世纪的侧重点，电动车的研发和应用必 将给汽车发展带来一个划时代的革命。为了减少对石油的依赖，美、英、法、德、 日等汽车工业强国也早将电动汽车列入国家项目。由此可见，电动汽车的研发和 应用是当今世界汽车的发展趋势。我国电动汽车虽然没有欧美等国家起步早，但 我们的电动汽车研究也已经列入国家项目，现正处于研发势头强劲阶段，并且我 们在某些方面的技术已经赶上甚或超过世界先进水平【1 1 。 世界各国从2 0 世纪8 0 年代开始，掀起了大规模的开发电动汽车的高潮。电 动汽车的出现，将会大幅度带动充电电源技术的发展。但电动汽车的市场化一直 受到一些关键技术的困扰。目前电动汽车难以得到普及的主要原因之一就是缺乏 合理的确保电动汽车电池组安全、高效、用户友好、牢固的充电技术。电动汽车 电池充电是电动汽车投入市场前，必须解决的关键技术之一。因此，适合电动汽 车的充电电源势在必行1 2 j 。 奥运临近，为响应2 0 0 8 年北京奥运会“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”的 号召，把2 0 0 8 年北京奥运会办成真正的绿色奥运，将在奥运村及北京很大范围内 的公共交通使用电动客车，并配套建设电动汽车充电站。但电动汽车用动力蓄电 池的无伤害快速充电问题成为制约电动汽车工业发展的主要障碍之一【1 1 。 1 2电动汽车充电电源的研究现状 电动汽车电池充电一般采用两种基本方法：接触式充电和感应耦合式充电。 美国汽车工程协会根据系统要求，制定了相应的标准。其中，针对电动汽车的充 电器，制定了s a e j 1 7 7 2 和s a e j 1 7 7 3 两种充电标准，分别对应于接触式充电方式 和感应耦合充电方式。电动汽车充电系统制造商在设计研制及生产电动汽车充电 器中，必须符合这些标准【3 1 。 1 2 1感应充电技术 感应充电是一种利用电磁感应原理通过非接触的耦合方式进行能量传递的新 型充电方式。感应充电技术在有些文献中也叫做无接触能量传输技术或非接触能 量传输技术。它的出现弥补了传统传导充电的不足，且具有安全性好，适应性强 和操作方便等优点，易于实现自动充电。感应充电技术目前主要用于电动汽车， 且在大型移动机电设备、无缆机器人等其他多领域也有着广泛的应用前景。 感应充电技术就是将传统变压器的感应耦合磁路分成两部分，初、次级绕组分 别绕在不同的磁性结构上，实现在电源和负载单元之间不需要物理连接进行的能 量耦合。 感应充电系统结构如图1 1 所示， a c 整流 高频 滤波 逆变 感应耦 高频 整流 图1 - 1 感应充电系统 f i g 1 1 i n d u c t i v ec h a r g i n gs y e t e m 交流电经过整流滤波之后通过高频逆变单元逆变成高频交流电，然后通过感 应耦合器把交流电由感应耦合初级耦合到次级，经过整流滤波后变换为直流，为 2 电池充电。充电过程中电池的电压，电流以及温度等信息经过相应的传感器采集 后以无线方式传输给耦合器初级的控制单元，以实现反馈控制。 但是感应充电技术存在一些难点，比如感应耦合器是感应充电系统的关键部 分，也是难点，还有反馈信号的传输需要用无线传输【4 1 。 1 2 2接触式充电 就是传统的充电电源有用电接触插头，也叫传导式充电。 接触式充电方式采用传统的接触器，使用者把充电电源接头连接到汽车上。 电动汽车的充电电源属于一种大功率电力电子设备，研发人员多年来一直追求电 力电子设备的高效率、高功率因数、小型化。软开关技术是实现高效率的有效措 施，而高的功率因数的实现就要用到功率因数校正技术( p f c ) 。 8 0 年代以来软开关( s o f ts w i t c h ) 技术得到了深入广泛的研究并在近些年得到 了迅速发展。这对提高开关频率，进而减小变换器的体积和重量有重要的意义。 软开关是针对硬开关提出的，硬开关过程是通过突变的开关过程中断功率流完成 能量的变换过程。硬开关的开关过程如图1 2 ，开关过程中，电压电流均不为零， 出现了重叠。因此导致了开关损耗。而且电压和电流的变化很快，波形出现了明 显的过冲，这导致了开关噪声的产生。 j i c 贰六 扇掣由庞产圩 图1 2 硬开关的开关过程 f i g 1 - 2 t h ep r o c e s so f h a r ds w i t c h i n g 而软开关过程是通过电感和电容的谐振，使开关器件中的电流( 或两端电压) 按正弦或准正弦规律变化，开关开通前电压先降为零，或开关关断前电流先降为 零，就可以消除开关过程中的电压电流的重叠，降低它们的变化率，从而大大减 小甚至消除开关损耗和开关噪声。 3 开通波形 t it 2 关断波形ii i i u t lt 2 图1 - 3 软开关的开关过程 f i g 1 3 t h ep r o c e s so fs o f ts w i t c h i n g 一台高质量的电动汽车充电电源应该利用软开关技术，来提高电源效率，提 高丌关频率，以减小重量和体积，降低电磁噪声干扰。 另外，高功率因数也是电力电子设备的一个重要指标，作为大功率电力电子 设备的电动汽车充电电源如果功率因数较低，将会给电网造成很大污染。对于单 相交流电供电的电动汽车充电电源，要采用单相功率因数校正技术。对于三相交 流电供电的电动汽车充电电源，要采用三相功率因数校正技术。就目前来看，单 相功率因数校正技术已经成熟，有源功率因数校正电路结构可分为下列几种：降 压式、升降压式、反激式、升压式。控制方式也有几种：平均电流控制、滞环电 流控制、峰值电流控制、电压控制。而三相功率因数校正技术还不太成熟。 1 3充电电源控制策略的研究现状 目前，充电电源的控制策略也有多种，一般来说，常规充电有以下3 种：恒 压充电法，恒流充电法，阶段充电法。另外，还有较复杂的快速充电技术，比如 脉冲式充电法，变电流间歇充电法，变电压间歇充电法等。如图1 4 。 1 恒压充电法 充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐 渐升高，电流逐渐减少。用恒定电压快速充电。由于充电初期蓄电池电动势较低， 充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此，只需简易控制系统。 但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲， 造成电池报废。 4 0 0 ( a ) 恒流充电曲线 ( b ) 恒压充电曲线 ( c ) 阶段充电曲线( d ) 脉冲充电曲线 图1 _ 4 四种充电策略 f i g 1 - 4 f o u rc h a r g es t r a t e g y 2 恒流充电法 恒流充电法是用调整充电装置输出电压，保持充电电流强度不变的充电方法。 控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降 的，到充电后期，充电电流过大影响电池寿命。 3 阶段充电法 阶段充电法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法。首先，以恒电流充 电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换 电压就是第二阶段的恒电压。 为了能够最大限度地加快蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到满充状态 的时间，同时，保证蓄电池正负极板的极化现象尽量地少或轻，提高蓄电池使用 效率，阶段快速充电技术近年来得到了迅速发展。 4 脉冲式充电法 5 这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接 受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新 发展。 脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如 此循环。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池继续进行化学反应，使 浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮 的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。间歇脉冲使蓄 电池有较充分的反应时间，提高了蓄电池的充电电流接受率【5 】。 1 4 论文的主要研究工作 在该毕业设计中，本文研究开发了用于奥运会电动汽车充电的电源，采用传 统的接触式充电方式，控制方式采用先恒流后恒压的阶段充电控制法。通过对全 桥变换器的比较和研究。该电源采用了一种具有副边简单辅助电路的零电压零电 流开关移相全桥变换器拓扑结构，该拓扑结构具有辅助电路结构简单、无耗能元 件和有源开关、副边整流管电压应力小、整体效率高等优点。利用该拓扑研制了 9 k w 零电压零电流开关移相全桥变换器工程样机，其输入为三相四线制 3 8 0 v 5 0 h z ，输出为直流7 5 v 1 2 0 a ，整机满载效率达9 1 。 本文首先介绍了电动汽车充电电源的发展与现状。 第二章查找资料研究多种全桥变换器拓扑结构，进行主电路拓扑结构方案选 择。 第三章新型z v z c s 全桥变换器原理与参数设计 第四章介绍了充电电源主电路的其他部分并对新型z v z c s 全桥变换器的研究 改进 第五章详细介绍本充电电源的控制系统 第六章详细介绍做本课题的实验过程，并给出实验波形结果和波形分析 最后一章给出了课题结论，阐述了该设计的不足之处和一些仍需解决的问题， 6 第2 章主电路拓扑结构方案选择 2 1z v s 全桥变换器 全桥变换电路拓扑是电源技术中最常用的电路拓扑之一。一直以来，人们不 断追求电源设备的高效化和小型化。而软开关技术是实现电源设备的高效化和小 型化的重要手段。在中大功率电源设备中，全桥变换电路拓扑更是首选拓扑。因 此，十几年来，研究人员进行了大量的软开关全桥变换器的研究，研究出了多种 软开关全桥变换器拓扑。 图2 1 就是一种z v s 全桥变换器。这种电路可以实现四个管子的零电压开通 和关断，这种电路的最大优点是它无需额外的谐振回路，不需要额外的元件就可 以实现软开关，器件应力小，这种电路对于m o s 管可以明显的减小开关损耗。 l z l c 0 匕 l z 图2 - lz v s 全桥变换器 h g 2 1 z v sf u l lb r i d g ec o n v e r t e r z v s 全桥变换器有许多明显的优点，非常适合于高频，开关器件采用m o s f e t 的应用场合。而在高电压( 5 0 0 v 以上) 和大功率( 1 0 k w 以上) 的应用场合，i g b t 将取代m o s f e t 作为开关器件。由于i g b t 的少数载流子存贮效应，所以在关断 时存在着拖尾电流，从而使用z v s 和z c s 相结合( z v z c s ) 的方式可以更加有效 的降低开通损耗和关断损耗【6 】。 2 2z v z c s 全桥变换器 在z v z c s 全桥变换器电路中，控制方式采用移相脉冲宽度调制，它的两个桥 臂分为超前臂和滞后臂。超前臂实现零电压开关，滞后臂实现零电流开关。超前 臂的零电压开关主要依靠并联的电容和变压器漏感来实现。滞后桥臂的零电流开 关是通过在原边电压过零期间使原边电流复位来实现的。即当原边电流减小到零 7 后，不允许继续反方向增长。滞后臂零电流的实现有多种方式。根据原边电流复 位方式的不同，z v z c s 全桥变换器拓扑结构概述如下： ( 1 ) 原边串联隔直电容和饱和电抗器实现原边电流复位】。 图2 2 这种电路中饱和电抗器在正常工作时工作在饱和状态，在换相期间可以 阻止下半个周期导通时的电流上升。还可以扩大软开关的实现范围。电路在换相 期间依靠隔直电容使原边电流复位，实现零电流关断。缺点是饱和电感的损耗比 较大，影响了整个系统的效率。 l o r o 图2 2 带饱和电感和隔直电容的z v z c s 全桥变换器 f i g 2 2z v z c sm i lb r i d g ec o n v e r t 盯稍t l lab l o c k m gc a p a c i t o r 锄das a t u r a b l ei n d o o r ( 2 ) 采用副边有源箝位电路实现原边电流复位。 副边采用有源箝位开关的z v z c s 变换器见图2 3 w 。，这种电路没有使用耗能元 件，在副边增加有源箝位开关s ，并通过对有源箝位开关的适当控制，为滞后桥臂 创造零电流开关条件。超前桥臂在零电压导通与关断的过程中，输出滤波电感参 与了谐振过程，而输出滤波电感通常取值较大，超前桥臂开关管可以在很大的负 载范围内满足零电压开关条件。开关管的导通与关断的死区时间间隔受原边电压 最大占空比的限制。 l o 【2四e j 上j i - _ _ 一 i c c c o t1 【】i r o 图2 3副边带有源箝位开关的z v z c s 全桥变换器 f i g 2 - 3 z v z c sm nb r i d g ec o n v 晰u s i n gs e c o n d a qa c t i v ec l a m p e d 在此种拓扑结构中，可能会出现副边整流输出电压的占空比大于原边电压最 大占空比的现象，这种现象称为“占空比增大效应”( d u t yc y c l eb o o s te f f e c t ) 。这种 现象是e h 筘位电容。和箝位开关的作用造成的。此电路的主要缺点是控制上稍微 复杂一些，以及有源箝位开关采用的是硬开关，但是有箝位开关在一个开关周期 中仅工作很短一段时间，对变换器整体效率影响很小。 ( 3 ) 采用副边能量回收缓冲电路实现原边电流复位。 如图2 4 。这种电路中的谐振回路由小二极管，小电容等无源器件构成。副边 筘位电容在换相期间箝位副边电压，通过折射到原边的电压强迫原边电流复位。 这种电路结构简单，有较高的工程应用价值四。 ii 【：一i 耶 l - 一 。霄【c t1 ij 图2 _ 4 带有变压器辅助绕组的z v z c s 全桥变换器 f i g 2 - 4 z v z c sf u l lb r i d g ec o n v e r t e ru s i n gt r a n s f o r m e ra u x i l i a r yw i n d i n g 利用变压器的辅助绕组来构成一个回路给箝位电容充电。如图2 4 。它在变压 器副边增加了一个绕组，此绕组经过一个小的二极管整流桥给箝位电容充电，在 换向期间电容c c 经d h 放电箝位副边电压。这种电路需要对变压器进行特殊的设 计，增加了额外的成本。 图2 5 利用三个二极管和两个小电容组成的简单辅助回路给电容充电【1 0 1 。在 这种电路中没有有源器件，回路简单。不需要额外的控制，便于工程应用。缺点 是由于电容c 。和c 。与漏感谐振，使得副边整流电压几乎是正常电压k k 的2 倍， 增加了整流管的电压应力，并且由于存在大量环流，也增加了导通损耗。 c s l 一 r - = ：d s 3 _i i 钭一 d h d s l fi c s 2 = c o = 。 图2 - 5 利用简单副边能量恢复缓冲回路的z v z c s 全桥变换器 f i g 2 5 c i r c u i td i a g r a mo fs o f ts w i t c hc o n v e t t e rw i t has i m p l es e c o n d a r y e n e r g yr e c o v e r ys n u b b e r 图2 - 6 采用副边简单辅助电路的z v z c s 变换器拓扑【1 1 】。该拓扑使用一个电容 9 和两个二极管构成副边辅助电路，无需辅助有源开关器件，辅助电路构成简单， 控制方法简单，能很好的实现主开关器件的z v z c s 。 图2 - 6 采用副边简单辅助电路的z v z c s 变换器 f i g 2 - 6z v z c s f u l lb r i d g ec o n v e n e r u s i n gas i m p l ea u x i l i a r yc i r c u i t 图2 7 中的电路利用耦合电感给箝位电容充电【l2 1 ，这种充电方式使得箝位电 容的充电电流和输出电流成正比关系。在零电压零电流软开关全桥变换器中，超 前臂的零电压软开关的实现和滞后臂零电流软开关的实现是一对矛盾。零电压是 靠漏感上储存的能量来抽干( 充满) 管子并联的小电容上电荷来实现的。理论上 说它希望并联的电容尽量大。这样关断时的电压上升的慢，电压和电流交叠的部 图2 - 7 利用耦合电感的z v z c s 全桥变换器 f i g 2 - 7z v z c sf u l lb r i d g ec o n v e r t e rw i $ ac o u p l e do u t p u ti n d u c t o r 分小，损耗也小。并联的电容大，要实现超前臂零点压软开关就需要漏感上的能 量足够大，也就是原边电流足够大。但滞后臂的零电流关断需要原边电流尽快地 复位。原边电流越大，电流复位就越困难。采用耦合电感给箝位电容充电的方式， 可以较好的解决这个问题。当负载电流大的时候，筘位电容上储存的能量多，箝 位作用强，可以迫使原边电流更快的复位。当负载电流小的时候，箝位电容上储 存的能量小，使原边电流复位慢一些，以保证超前臂的零电压软开关的实现。这 样可以扩大软开关的范围，克服了超前臂零电压软开关在轻载的时候难以实现的 缺点。从理论上讲这种电路是一种比较理想的软开关拓扑。但是耦合电感不仅加 工复杂成本高，而且增加了额外的损耗。 1 0 第3 章新型z v z c s 全桥变换器原理与参数设计 在第二章中，本论文对多种z v z c s 全桥变换器进行了比较研究，选用了图2 6 所示的新型带简单辅助谐振电路的移相控制z v z c s 全桥变换器。这种变换器只是 在变压器副边附加由一个小电容和两个二极管构成的辅助谐振电路，不包含耗能 元件和有源开关，副边整流管电压应力小、整体效率高而且价格便宜等优点，在 中大功率场合很有发展前途。超前臂i g b t 的开通和关断是靠i g b t 上并联电容上 的电压不能突变实现的。滞后臂i g b t 的开通是通过漏感上电流不能突加实现 z c s ，滞后臂i g b t 的关断是在关断之前，使原边电流下降为零，实现z c s 。 3 1新型z v z c s 全桥变换器工作原理n 该新型z v z c s 全桥变换器主电路如图3 - 1 所示。该变换器采用了移相控制方 式，开关管s 。，墨构成超前桥臂，s ：，s 。构成滞后桥臂，c 1 和c 3 为超前臂的外接 并联电容，成为变压器漏感，起谐振电感的作用。，n 2 分别为变压器原、副边 绕组匝数，匝比，：n ：= k ，箝位电容c c ，二极管d ，d c 共同构成副边辅助谐振 电路。 i2【 =b 。ii c c d c ”上 i 一 【 j 。c 瓜看 d h ii 图3 1 主电路拓扑 f i g 3 - 1 t h et o p o l o g yo f m a i nc i r c u i t 下面详细分析该电路的工作原理，在分析电路的工作模态之前，首先假定所 有的开关管和其他元器件都是理想的，并且输出滤波电感足够大，在半个开关周 期内可以认为是一个恒流源。则电路在半个开关周期内一共可分为9 个工作模式， 电路的各个工作模式的电路如图3 3 所示，电路的工作波形如图3 2 所示。 s llls 3lls l s 4 il s 2 - 广葛广 v t z rm i ：j ir f ，眦i一 、ri ： ： l rj 、0 ；：；、 ：- l 嗍 ：卅 v：v | l | ! i 。 t o t l t 2：f k 7 t $ t 9 图3 - 2i 作波形图 f i g 3 - 2 t h eo p e r a t i o nw a v e f o r m 工作过程如下： 模式l ( f 。t 1 ) ：l l k - - c c 谐振c c 充电阶段。s 。和s 4 导通，辅助电路电容c c 与 变压器漏感厶发生谐振，通过d c c o 支路充电，吃开始升高，半个谐振周期过 后，在时刻，达到两倍的( 珞k - ) i 皆振停止，因为谐振回路存在二极管。 整流桥输出电压从v o 达到+ z o 。这一模式结束，等效电路如图3 - 4 所示( 忽略 了整流桥以简化分析) ，在这一段时间内有： 广舌c c 掣= i p - - 妻l ( 3 - t ) l k 鲁= 也 广吃( f o ) = o t 叫u = 妻l 解得： 1 2 广吃( ) 。唼以一) ( 1 一c 。s 吃) ( 3 - 2 ) l 硝f ) - 鼍等s i n 叫昙l z 。=，吃：t 每( 3 - 3 ) ，吃。瓦露 模式2 ( t l t ：) ：普通p w m 传能阶段。半个谐振周期后，在t l 时刻，d c 关断， 整流桥输出电压恢复到正常值k 七，原边电流j 。回落到l k ，这段时间变换器输 入能量经变压器传送到负载。这一段时间的工作过程如图3 2 所示。 模式3 ( f 2 一f 3 ) ：原边电压线性下降阶段。t 2 时刻，s l 关断，原边f g 测, s 1 支 路转移到电容c 1 ，c 3 支路，电容q 开始充电，c 3 开始放电，在这一阶段内，由于 输出滤波电感很大，负载可等效为一恒流源，所以可以认为此阶段内原边电流近 似不变，类似于一个恒流源，原边电压在此恒流源作用下线性下降，即： 2 圪一i 1 百1 丽0 ( 3 - 4 ) 同时，整流桥输出电压以相同斜率线性下降。 模式4 ( t ，t 。) ：原边电流开始下降阶段。t ，时刻，整流桥输出电压下降到 = 吃，d h 导通，c c 向负载提供能量，因为储存在漏感中的能量仍然给c l 充 电，c 3 放电，原边电压的下降速度与原先相同，而箝位电容c c 远大于g ，g ， 因此整流桥输出电压的下降速度小于原边电压的下降速度，原边电压与副边整流 桥输出电压折合到原边的值的差值作用在变压器漏感三脏上，原边电流开始下降。 这一段时间内的等效电路如图3 4 所示。该模式结束时，原边电流和箝位电容端压 分别定义为l ，圪。 模式5 ( f 。f 5 ) ：原边电流迅速下降阶段。t 。时刻，c 3 放电完毕，反向二极管d s 3 导通，开关管墨可以在零电压下完成导通，s 。续流，原边电流迅速下降，负载电流 主要由箝位电容q 提供，c 迅速上升，直到t ，时刻，原边电流到零，这一阶段结 束，i c 达到最大。此时，并未到零，的值定义为。这一阶段的等效电路 如图3 4 所示，在这一段时间内有： 1 3 模式l 模龙 模式3 模式4 ( 3 - 5 ) 模式5 模式6 模式7 & 8 图3 - 3 工作模式等效图 模帮 f i g 3 - 3e q u i v a l e n tc i r c u i t sf o re a c ho p e r a t i n gm o d e 1 4 一 纵一 呜瓦斜磅 厂1 l i k l l k c 1 c c l ? v + l lr p ，q7 模式dq ( 勿 l l k 一 模式耷 l o k f ( 7 模式5 fd ) 模式6 、图3 4 等效电路卤一。+ 。 f i g 3 - 4e q u i v a l e n tc i r c u i t 初始条件： ，v c c ( t 。) = 圪 l ，( f 。) = ，口 解得： 厂吃( f ) = 妻( l 一丢l ) z 。s i n f + 圪c 。s 吃f t 以轳( 厶一抄毗卜等s i n 咿昙l 仔6 ， 模式6 ( t ；t 6 ) ：c c 向负载放电阶段。t 5 时刻，原边电流完全复位到零，s 。仍 处于导通状态，此时原边没有电流，电容c c 提供全部负载电流，副边整流桥输出 电压迅速下降，直到f 。时刻电容c c 完全放电，降至为零，这一阶段的等效 电路如图3 - 4 所示，吃可由t i i i 计算得到： c c 等- - l o(3-7) 初始条件： 吃= 1 5 解得： 吃( r ) = 一。丢r + ( 3 8 ) 模式7 ( f 。t 7 ) ：副边续流阶段1 。t 6 时刻，当放电完毕，仇关断，整流二 极管开始导通，副边续流阶段。 模式8 ( f ，t 8 ) ：副边续流阶段2 。t ，时刻，副边整流桥仍在续流，由于原边电 流已经归零，此时关断s 。，s 。为零电流关断。 模式9 ( f 8 t 9 ) ：原边电流线性上升阶段。t 。时刻，s 2 导通，因为漏感存在， 原边电流不可能突然上升。s ：的开通为零电流开通。s ：导通后，在输入电压的作 用下，原边电流按如下方式增长： y ，p ( f ) 2 t l 腩 ( 3 9 ) 吃。仍为零。半个周期工作过程结束，进入下半个周期，其工作过程与前半周 期相同。 1 6 3 2新型z v z c s 全桥变换器参数设计 2 0 0 8 奥运会即将到来，为了提高北京市的空气质量，将电动汽车用于公共交 通，代替原有的燃油机动公交车，本设计就是为在奥运期间运营的电动公交车充 电，电动公交车的动力源是中信国安盟固利新能源科技有限公司生产的锰酸锂动 力蓄电池，整车装有多箱蓄电池组，有大箱和小箱，大箱电池由6 4 节，容量为9 0 a h 的电池组成，其中每4 节电池并联一块，构成3 6 0 a h ，然后1 6 块再串联起来使用。 所以一大箱电池的容量为3 6 0 a h ，端电压为4 2 1 6 = 6 7 2 v 。一小箱8 块串联，容 量为3 6 0 a h ，端电压为4 2 * 8 = 3 3 6 v 。该电动公交车的能源补给方式采用了更换动 力蓄电池组的方式，所以在电动公交充电站设置多台充电电源和多箱蓄电池，本 设计就是为大箱和小箱蓄电池都能充电的电源。 奥运会电动汽车所用充电电源的基本技术指标为： ( 1 ) 输入电源：a c 3 8 0 v 1 0 ( 三相四线制) ( 2 ) 最高输出电压：7 5 v ( 3 ) 最大输出电流：1 2 0 a ( 4 ) 充电电源额定功率： 9 k w ( 5 ) 输入输出：变压器隔离 ( 6 ) 效率： 9 0 ( 满载) ( 7 ) 输出稳压精度：小于1 ( 8 ) 输出稳流精度：小于1 ( 9 ) 功率因数： 0 8 5 ( 满载) ( 1 0 ) 使用环境温度：一2 0 5 0 ( 1 1 ) 体积限制：长不大于6 0 0 r a m ，宽不大于4 5 0 r a m ，高不大于5 0 0 r a m ( 1 2 ) 开关频率：大于1 8 k h z ( 1 3 ) 输出纹波：小于5 根据上一节的新型z v z c s 全桥变换器原理分析，结合上述基本技术指标，本 节对此电源的主要元件进行了参数设计和选型。 1 7 i 陟 醇d 2zz 划k z 荩 _ 一 一 a i i 、t _ 一 - 孓3d 2z2 d 【 j 【d d c 1 穹= ： 【2 【d i 【 c or g 图3 - 5 主电路图 f i g 3 - 5m a i nc i r c u i td i a g r a m 3 2 1输入滤波电容设计1 c i n 的选择是比较关键的，( 1 ) c i n 如果太小，直流电压v i n 的脉动就会比较 大，为了得到所要求的输出电压，需要过大的占空比调节范围和过高的控制闭环 增益；同时，直流电压v i n 的最小值v m i n ) 也会比较小，要求高频变压器的原副 边匝比变小，导致开关管的电流增大，输出整流二极管的反向电压增大。( 2 ) c i n 如果太大，其充电电流脉冲宽度变窄，幅值增高，导致输入功率因数降低，e m i 增加，过高的输入电流( 有效值) 使得输入整流管和滤波电容的损耗增加；同时， 电容过大，成本也会增加。 选用以下经验算法来计算c i n 的容量，已知输入交流电压的变化范围为 吖r a i n ，1 6 i 。( 嘲x ) 频率为5 0 h z ，步骤如下： ( 1 ) v l i n e cm i nj 6 i e ( m a x ) 即3 8 0 ( 1 1 0 ) ：3 4 2 v 4 1 8 v ， ( 2 ) 4 2 v l i , , e r m i n ，2 p ( m a x ) 即4 8 3 6 6 v - 5 9 1 1 4 v ( 3 ) 整流滤波后直流电压的最大脉动值： v p p = 4 2 v , p ( m i n ) ( 7 1o ) = 3 3 8 。4 8 3 v ( 3 1 2 ) ( 4 ) 整流滤波后直流电压v i n ： ( 4 2 6 ；e ( m i n ) 一v p p ) 4 2 v , p ( m a x ) 即4 3 5 2 9 。5 9 1 1 4 v ( 5 ) 为了保证直流电压最小值符合要求，每个周期中c i n 所提供的能量w i n 约为：g j n ：_ 兰：业：6 6 6 7 w ，为输入功率( 效率按o 9g)a ，。i i i i n3 5 0 ” ( 6 ) 每半个周期输入滤波电容所提供的能量为： 坠2 = c i ，z 陬甜一 2 v i i n e ( m i n ) - v p p 户 b 柳 因此输入滤波电容容量为： 巳= 丌= _ f 害冬1 ：2 1 聊f ( 3 1 4 ) 2 丽i 丁丽忑i 订聊 p 。 实际中要考虑工作环境温度对电解电容的电容量影响，还有电容发热和一些 特殊的测试要求。最后经实验输入电容采用了1 0 只n i c h i c o n 公司生产的 l g u 2 w 4 7 1 m e