电动汽车全桥移相式车载充电电源技术的研究--优秀毕业论文 可复制黏贴.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 电动汽车全桥移相式车载充电 电源技术的研究 phase shift full bridge portable charging power supply for electric vehicles 李平李平 哈尔滨工业大学 2011 年年 6 月月 国内图书分类号 tm921 1 学校代码 10213 国际图书分类号 621 3 密级 公开 工学硕士学位论文工学硕士学位论文 电动汽车全桥移相式车载充电 电源技术的研究 硕 士 研 究 生 李平 导 师 杨世彦 教授 申请学位 工学硕士 学科 电气工程 所 在 单 位 电气工程及自动化学院 答 辩 日 期 2011 年 6 月 授予学位单位 哈尔滨工业大学 classified index tm921 1 u d c 621 3 dissertation for the master degree in engineering phase shift full bridge portable charging power supply for electric vehicles candidate ping li supervisor prof shiyan yang academic degree applied for master of engineering speciality electrical engineering affiliation school of electrical engineering and automation date of defence june 2011 degree conferring institution harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要 目前 飞速发展的汽车工业正给我国带来日趋严重的环境污染和能源危机 电动汽车成为解决这两大问题的重要途径 然而 储能电池性能的改进无法与 电动汽车发展速度相匹配 同时充电站位置固定 使用不便 因此非常有必要 研制一种低成本 使用灵活的车载充电电源 随时随地进行能量补给 为车载 充电技术大范围应用奠定基础 恶劣的车载工况要求车载充电机必须具有尘密结构 只能采用自然冷却的 散热方式 因此高效率成为其最重要的技术特点 同时还要具有对电网谐波污 染小 重量轻 体积小 可靠性高 抗机械冲击及震动等特点 结合电动汽车车载充电机的技术指标和防护等级 确定了充电电源的总体 方案 采用前级有源功率因数校正电路和后级 dc dc 变换电路两级结构 并对 两级电路的具体实现形式进行了分析 一方面 分析了有源功率因数校正技术 的原理和必要性 通过对比有源功率因数校正的不同电路拓扑结构和控制方式 的优缺点 选定了适合本系统的单级 boost 电路拓扑结构和相应的平均电流控 制方式 另一方面 为了使充电电源在大范围负载条件下获得高效率 选择了 移相控制全桥 pwm 变换器作为后级 dc dc 变换器的拓扑结构 列出了多种移 相控制全桥零电压开关 pwm 变换器的改进电路 通过对比其优缺点以及实现 的难易程度 选择加入两个钳位二极管和谐振电感的改进型 pwm 变换器为最 终方案 详细分析了该改进变换器的工作原理 对加入的辅助部分的功能进行 了讨论 给出了超前臂和滞后臂实现零电压开关的不同条件以及影响副边占空 比丢失的因素 结合充电电源的解决方案以及技术指标 分别设计了前后两级电路主电路 和控制电路的具体参数 分别利用 saber 和 pspice 仿真软件对前后两级电路进 行了仿真分析和参数优化 研制了一台 2 4kw 的电动汽车车载充电电源样机 在不同负载条件下分别对其进行了实验测试 实验结果表明 该车载充电电源 具有很高的效率 同时对电网谐波污染小 可靠性高 关键词 有源功率因数校正 移相控制 零电压开关 钳位二极管 i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ii abstract currently our country is facing increasingly serious environmental pollution and energy crisis brought by the rapid development of the automobile electric vehicles become an important way to solve the two problems however the performance improvement of the energy storage batteries can t match the development speed of electric vehicles and the location of the charging station is fixed and they are inconvenient to be used so it is necessary to develop a low cost flexible portable charging power supply resupplying energy anywhere and anytime to lay the foundation for a wide range of applications of the charging technology the poor working conditions of the vehicles require that the charger must have a seal structure to block dust and some other things so there is only one way to dissipate heat with natural cooling therefore high efficiency becomes its most important technical features and it should bring low harmonic pollution to the grid with the characteristics of light weight small size high reliability against mechanical shock and vibration with the combination of the technical indicators and protection grade of the portable charger for electric vehicles the overall scheme of charging power supply is determined with two circuits of the anterior active power factor correction circuit and the lag dc dc converter the specific forms of implementation of the two circuits are analyzed on the one hand the principle and necessity of the active power factor correction circuit are analyzed by comparing the advantages and disadvantages of the different circuit topology and control methods which can achieve active power factor correction the single stage boost circuit topology and the corresponding average current control mode suitable for this system are selected one the other hand in order to get high efficiency of the charging power supply in a wide load range the phase shift full bridge pwm converter is selected to accomplish the lag dc dc converter a variety of improved circuits of phase shift full bridge zero voltage switching pwm converters are listed by comparing the advantages disadvantages and the degree of difficulty to be achieved the improved pwm converter added by two clamping diodes and one resonant inductor as the final solution is chose the working principle of the improved converter is analyzed detailed the functions of the added auxiliary part are discussed the different conditions to achieve zero voltage switching for the forward and lag legs and the factors to cause secondary duty cycle loss are given with the solutions and technical specifications of the charging power supply the specific parameters of the main circuits and control circuits of the two circuits 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 iii are designed separately with the use of saber and pspice simulation software the simulation analysis and parameter optimization are carried out respectively a 2 4kw charging power supply prototype for electric vehicle is developed which is tested at different load conditions the results show that the charging power supply has high efficiency high reliability and low harmonic pollution keywords active power factor correction phase shift control zero voltage switching clamping diodes 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目 录 摘 要 i abstract ii 第 1 章 绪 论 1 1 1 课题背景及研究的目的和意义 1 1 2 电动汽车车载充电电源技术发展概况 2 1 3 软开关全桥变换器发展过程及研究现状分析 3 1 3 1 软开关全桥变换器发展过程 3 1 3 2 零电压软开关全桥变换器研究现状 9 1 4 本文主要研究内容 10 第 2 章 电动汽车车载充电电源结构方案 12 2 1 车载充电电源的技术指标 12 2 2 充电电源总体结构 12 2 3 前级有源功率因数校正电路方案 13 2 3 1 有源功率因数校正电路的技术参数 13 2 3 2 有源功率因数校正主电路方案 14 2 3 3 有源功率因数校正控制电路方案 15 2 4 后级dc dc变换器方案 16 2 4 1 后级变换器的技术参数 16 2 4 2 后级变换器的工作原理 17 2 4 3 后级变换器的特点分析 22 2 5 本章小结 23 第 3 章 前级有源功率因数校正电路设计 25 3 1 apfc电路的整体结构 25 3 2 apfc主电路结构及设计 25 3 2 1 输入emi滤波环节 26 3 2 2 boost升压变换环节设计 26 3 3 apfc控制电路结构及设计 28 3 3 1 控制电路具体结构 28 3 3 2 控制电路参数设计 29 iv 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 4 apfc电路仿真分析 30 3 5 辅助电源设计 31 3 5 1 辅助电源整体结构 31 3 5 2 辅助电源参数设计 32 3 6 本章小结 34 第 4 章 后级dc dc变换器设计 35 4 1 后级dc dc变换器整体结构 35 4 2 dc dc变换器主电路结构及设计 35 4 2 1 主电路具体结构 35 4 2 2 主电路参数设计 36 4 3 dc dc变换器控制及驱动电路设计 42 4 3 1 控制电路设计 42 4 3 2 驱动电路设计 43 4 4 后级dc dc变换器仿真分析 44 4 5 本章小结 45 第 5 章 车载充电电源样机实验分析 46 5 1 实验测试条件 46 5 2 前级有源功率因数校正电路实验测试 47 5 2 1 负载变化对功率因数校正效果的影响 47 5 2 2 功率因数与总谐波畸变率测试与分析 48 5 3 后级dc dc变换器实验测试 49 5 3 1 负载变化对dc dc变换器性能的影响 49 5 3 2 负载变化对零电压软开关效果的影响 51 5 4 车载充电电源样机效率测试与分析 52 5 5 本章小结 53 结 论 54 参考文献 55 攻读学位期间发表的学术论文 59 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 60 致 谢 61 v 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 1 章 绪 论 1 1 课题背景及研究的目的和意义 目前 传统的燃油汽车在全世界范围内都已经相当普遍 这些燃油汽车在 给人们的工作生活带来方便的同时也相伴产生了两个严重的问题 全球环境污 染和能源危机 研究表明 机动汽车排放的尾气污染物已占大气污染物的 70 以上 随着传统燃油汽车保有量的增加 对大气造成的污染会愈加严重 对人 类的健康造成威胁 另外 当今世界石油储量有限 油价持续上涨 燃油汽车 的增加势必会对不可再生能源储备造成巨大压力 为了解决传统汽车带来的这 两个问题 非常有必要研制出低排放低油耗甚至零排放零油耗的新型汽车来替 代传统汽车 纯电动汽车利用电能代替燃油 能够做到零污染零排放 1 同时噪声低 效率高 适合在城市道路工况下频繁地起步和停车 操作和维护简单 是汽车 工业解决能源危机和环境污染的重要途径 发展前景非常广阔 目前 电动汽 车的技术已经趋于成熟 基本满足城市道路运行要求 但是作为电动汽车动力 供给的电池一直是制约电动汽车进一步发展的最主要因素 电池储能不足限制 了电动汽车的初始续航里程 制约电动汽车的大范围应用 然而电动汽车用储 能电池性能的改进是一个漫长艰难的过程 根本无法与电动汽车的发展速度相 匹配 为了延长电动汽车的行驶里程 在电池能量有限的条件下 研制一种方便 快捷 高效 体积小 重量轻 稳定性高和抗机械冲击及震动效果好的充电机 是非常必要的 2 3 这样就能够随时随地为电动汽车补充能量 有利于纯电动汽 车大范围推广 随着电动汽车的飞速发展 辅助设备充电机也有了很大的发展 电动汽车 的充电机种类很多 按照电动汽车与相应的充电机和电网接触与否 分为接触式充电机和感应 式充电机 接触式充电机结构简单 成本低 充电方便 感应式充电机有较强 的通用性和安全性 但是结构复杂 成本高 按照充电机是否安装在汽车上 分为非车载充电机和车载充电机 非车载 充电机具有较强的通用性 为了能够适应各种电池的充电特性 非车载充电机 的体积和重量均很大 通常放在充电站中使用 不能随时随地为电动汽车补充 能量 车载充电机虽然充电时间相对较长 同时由于车上空间限制和车载工况 要求 对充电机的性能要求很高 必须做到体积小 重量轻 效率高 密封自 1 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 然冷却效果好 安全等级高 但是结构和充电方式简单 可以随时随地为电动 汽车补充能量 使用方便 因此车载充电机应用范围很广 另外 电动汽车本身属于清洁交通工具 因此充电机也要做到是绿色能源 即电动汽车的车载充电机必须具有很高的功率因数 对电网不会或者极少带来 谐波污染 真正使电动汽车成为零污染的新型交通工具 1 2 电动汽车车载充电电源技术发展概况 目前 充电电源的常用技术主要有相控电源 线性电源以及开关电源三种 其中 相控电源技术比较传统 开关管采用晶闸管 通过控制其导通相角 进而控制整流输出的电压 技术相对成熟 成本低 但是 相控电源由于利用 的工频变压器 体积大 同时功率因数较低 网侧电流谐波含量高 动态特性 差 已经基本被淘汰 线性电源采用功率晶体管 通过调整其集电极和射极之间的压降使得输出 电流达到稳定状态 优点是输出的电流波形质量较高 缺点是功耗比较大 需 要的散热片体积很大 效率低 因为调整功率管一直工作在放大区 电流连续 开关电源的功率管工作在开关状态下 效率相对较高 同时开关频率可以 适当提高 变压器和电感等电磁器件的体积减小 应用普遍 表 1 1 给出了线性电源与开关电源的参数对比 表 1 1 线性电源与开关电源的相关参数对比 参数 线性电源 开关电源 热损 大 小 体积 大 小 重量 重 轻 电网适应性 弱 强 电磁干扰 小 大 负载调整率 0 02 0 1 0 1 1 0 输出电压范围 10 50 目前 按照工作原理的不同 可以将电动汽车充电机分为以下三种 1 第一类充电机 组成结构为工频变压器 不控整流电路和斩波电路 优点是输出直流电压纹波小 动态响应快 缺点是体积较大 网侧电流谐波含 量高 效率较低 由于第一类充电机的网侧谐波含量比较大 会对电网造成很 大影响 不宜在公共电网中使用 2 第二类充电机 组成结构为工频变压器 三相不控整流电路 高频变 压器和 dc dc 变换电路 优点是输出直流电压纹波较小 动态响应快 体积小 输出与输入隔离 成本较低 缺点是网侧电流谐波含量仍然较大 约为 30 2 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 效率同样较低 该类充电机是目前应用最多的充电电源 3 第三类充电机 组成结构为三相或者单相 pwm 整流电路 高频变压 器 dc dc 变换电路 优点是采用 pwm 技术整流 功率因数高 网侧电流谐 波含量小 总谐波畸变率小于 5 体积小 输入输出隔离 动态响应快 效率 高 缺点是成本较高 同时结构复杂 可靠性相对较低 目前应用少于第二类 充电机 软开关全桥变换器拓扑结构适用于中大功率场合的应用 效率高 同时提 高频率可以降低变换器的体积 噪声和电磁干扰小 本文选用软开关全桥变换 器实现电动汽车车载充电电源 以满足车载充电机的各种性能要求 1 3 软开关全桥变换器发展过程及研究现状分析 1 3 1 软开关全桥变换器发展过程 大功率开关电源的一个重要发展方向就是高频化 高频化能够带给开关电 源诸多好处 减小输出电压和输出电流的纹波 开关电源的动态性能得到改善 能够通过减小电路中变压器和电感等磁性器件的体积来减小整体系统体积 进 而使得功率密度得到提高 适合对电源体积要求较高的场合 但是 如果单纯 地提高频率 会导致开关电源中mosfet和igbt等开关管的开关损耗增加 影 响整机效率 因此进一步高频高效化的关键途径就是降低开关管的开关损耗 这可以通过软开关技术来实现 4 另外 开关电源能够产生较大的电磁干扰 电磁干扰随频率的增大而增大 软开关技术能够减小开关电源的电磁干扰 减 小噪声 5 工作在硬开关条件下的传统全桥pwm变换器 当开关频率增大时 开通过 电流和关断过电压将会超过开关管的额定电流和额定电压值 损坏开关管 同 时开关损耗大大增加 降低电路的效率 并且电磁干扰严重 也给电网带来不 良影响 再加上二极管反向恢复问题 这些均限制了开关电源的高频化进程 为了减小甚至消除开关电源中开关器件的开关损耗 提高开关频率和效率 增 加开关电源的可靠性和安全性 减小噪声 降低和 1986 年美国 d m divan博士首先提出了软开关技术 克服了开关电源的上述缺点 得到飞 速发展 du dt di dt 6 8 软开关技术主要分为以下几种 负载谐振变换技术 包括串联负载谐振和 并联负载谐振 谐振开关技术 包括零电流准谐振技术和零电压准谐振技术 谐振直流环节变换技术和零电压转换 pwm 变换技术等 这些软开关变换器的 发展过程大致如表 1 2 所示 3 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 表 1 2 高频软开关变换技术的发展 时间 名称 应用范围 20 世纪 70 年代 串联 并联谐振 半桥或全桥变换器 20 世纪 80 年代初 有源钳位 zvs 单端变换器 20 世纪 80 年代中 准谐振 多谐振 单端或桥式变换器 20 世纪 80 年代末 zcs pwm zvs pwm 单端或桥式变换器 20 世纪 90 年代初 移相全桥 zvs pwm 250w 以上全桥变换器 20 世纪 90 年代初 zct pwm zvt pwm 单端或桥式变换器 软开关电源的主电路拓扑结构有很多 其中由单管构成的电路 如buck boost buck boost cuk flyback和forward等 只适合在中小功率的场合应用 在电源电压和输出电流变化较大以及输出电压较低 功率较大的场合 通常应 用全桥变换器 9 10 优点是固定开关频率 控制方便 全桥变换器的控制方式 也分为很多种 主要有双极性控制方式 传统脉宽调制控制方式 有限双极性 控制方式以及移相脉宽调制控制方式 移相pwm控制方式将传统pwm控制方式与谐振变换技术合二为一 综合 了二者的优点 在全桥移相控制方式中 通过调节两个桥臂开关管导通的相位 差 移相角 来调节两桥臂中点电压的脉冲宽度 经过整流和滤波进而调节输 出电压的幅值 移相式全桥零电压开关pwm控制 ps fb zvs pwm 是移相 控制设计中较早提出的控制方式 它在不增加额外元器件的情况下 利用变压 器的漏感和开关管的漏源结电容作为谐振元件产生振荡 通过对四个开关管漏 源结电容进行充放电来实现全桥四个开关管的零电压开通与零电压关断 11 12 这种控制方式极大地降低了开关损耗和开关噪声 减小了电磁干扰 系统动态 性能得到改善 去掉了有损缓冲电路 提高了电源整机效率 可以进一步提高 开关频率 进而进一步减小整机体积和重量 提高功率密度 适合于高频 大 功率 开关器件采用mosfet的应用场合 同时 也综合了传统pwm控制的优 点 如开关频率恒定 功率器件的电流应力和电压应力较小 电路拓扑结构和 控制方式简单 13 15 能够满足车载充电电源对效率等技术指标的要求 基本的移相控制全桥零电压开关 pwm 变换器拓扑结构如图 1 1 所示 这种 基本 ps fb zvs pwm 变换器结构简单 所需元器件较少 省去了有损缓冲电 路 实现了全桥四个开关管零电压开通与关断 极大降低了开关损耗 提高了 变换器的效率 同时变换器的体积和重量也由于开关频率的提高而大大减小 电磁干扰也得到了很好的抑制 这种电路拓扑结构非常适合中大功率场合的应 用 但是 这种基本的 ps fb zvs pwm 变换器也存在一些缺点 最主要的缺 点就是该基本 ps fb zvs pwm 变换器的滞后臂在轻载的条件下实现零电压开 4 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 关困难 原因是在负载较轻的条件下 电感数值很小变压器漏感储存的能量不 足 无法将存储在变压器原边绕组寄生电容以及滞后桥臂两个开关管漏源极间 结电容的电荷抽走 在轻载的条件下滞后桥臂零电压开关功能丧失 副边的占 空比损失较大 同样输入电压条件下有可能无法达到所需的输出电压 变压器 原边因为存在较大的环流导致变换器的通态损耗增加 将会降低变换器的效率 变压器副边输出整流二极管工作在硬开关的状态 输出整流二极管上面会有较 大的关断电压尖峰 需要选用耐压值较大的二极管 需要附加缓冲电路 增加 了电路成本 同时对电路的工作安全性有了更大的考验 图 1 1 基本移相控制 fb zvs pwm 拓扑 图 1 1 所示的基本的 ps fb zvs pwm 变换器在轻载的条件下如果实现零 电压开关失败 那么将会导致全桥的四个开关管在开通和关断时产生很大的 和 增大开关损耗和电磁干扰 增大电路噪声 这样就会降低电路 的整体效率 就要增加散热片的体积 降低功率密度 同时也影响电路工作的 可靠性 d ditd dut 目前对移相控制全桥零电压开关 pwm 变换器的研究有很多 产生出很多 不同的改进电路 分别针对基本 ps fb zvs pwm 变换器的上述缺点给出了改 进和完善措施 这些改进型的电路种类很多 本文选择了几种典型的改进电路 进行分析 列出了这些电路各自的优缺点 最终选定适合本文所研究的电动汽 车车载充电电源的主电路拓扑结构 图 1 2 所示改进电路是在变压器原边串联了一个饱和电感 这个饱和电感 在开关管开关结束的时候很快进入饱和状态 能够使原边电流很快达到负载电 流折算到变压器原边的电流值 通过合理设置饱和电感值能够有效地减小副边 占空比的损失 减小原边存在的环流 同时能够缩短换流时间 一定程度上增 大了负载范围 但是饱和电感上会产生很大损耗 增加散热难度 图 1 3 所示改进电路是在变压器原边加入了由一个电感和两个mos管组成 的有源辅助电路 16 该电路大概的工作过程为 和构成滞后臂 在关 断之前先给辅助开关管驱动信号 使导通 这样就能够在关断之前先 让辅助电感储存一定的能量 帮助抽取滞后臂开关管结电容上的电荷 同时 3 q 4 q 4 q a q a q 4 q a l 5 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 帮助给另外一个开关管的结电容充电 这样能够促进滞后臂实现zvs 减少了 对变压器漏感储能的依赖 能够减小副边占空比丢失 进一步提高开关频率 但是 加入的辅助开关管工作在硬开关状态 同时成本较高 控制电路复杂 图 1 2 原边加饱和电感的 fb zvs pwm 拓扑 图 1 3 原边加入有源辅助电路的 fb zvs pwm 拓扑 图 1 4 所示改进电路是为了解决滞后桥臂在轻载时难以实现zvs问题而提 出来的拓扑结构 17 图 1 4 一种新型全桥 zvs 拓扑结构 图1 4所示改进电路与基本移相全桥零电压变换器相比主要改进之处就是 将传统的隔直电容分为两个等效电容 用两个等效变压器代替传统的高频变压 器 这两个变压器的原边电压只有传统变压器原边电压的一半 即 其 他参数与传统变压器相同 这样该变换器更适合大功率场合的应用 因为传统 变压器传输的功率由两个新变压器共同承担 散热设计实现容易 另外 增加 的辅助电感能够使变换器在传导损耗不增加的情况下 实现大范围的零电压 开关 减小了对变压器漏感的依赖 但是 也存在一些缺点 如电路结构过于 复杂 变压器和输出滤波电感的设计困难 电路功能实现困难 限制了该变换 in 2u a l 6 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 器的应用范围 图 1 5 所示的改进电路是在全桥的一个桥臂上加入了由一个辅助电感和一 个辅助电容构成的lc辅助电路 18 与基本的移相全桥变换器相比 该变换器实 现滞后臂zvs的能量由电感和辅助电感共同提供 实现zvs容易 另外电 感越大 副边占空比丢失越大 加入辅助电感之后就可以将电感设计的 很小 这样在轻载下实现zvs的同时又能够减小副边占空比的丢失 缺点是 辅助电感的设计复杂 需要与电感进行合理配合 输出整流二极管两端电压 尖峰仍较大 r l a l r l a l r l r l 图 1 5 加入 lc 辅助电路的改进拓扑 图 1 6 所示改进电路是在输出侧增加了一个附加的续流二极管 原边增加 了由电阻 电容和二极管构成的缓冲电路的变换器 19 增加的缓冲吸收电路使 得变压器原边的电流尖峰得到了很好的抑制 另外 在该改进型变换器续流的 过程中 绝大部分输出电流经过负载和附加的续流二极管续流 很小一部分流 经变压器副边 这样在续流过程中 原边短路时间大大缩短 减小了原边环流 损耗 有利于提高效率 但是 有损吸收电路和副边附加的续流二极管上会产 生损耗 增加了电路成本和体积 副边输出整流二极管上仍有较大电压尖峰 图 1 6 增加续流二极管和吸收电路的改进电路 图 1 7 所示改进电路有两个变压器 两个钳位二极管 该改进型变换器是 为了消除输出整流二极管上的电压尖峰和电压振荡提出来的 可以选用低压的 整流管 电路中所有的开关器件均能够在全负载范围内实现零电压开关 辅助 电路提供的能量可以跟随负载的变化自动调节 但是 该电路结构过于复杂 控制困难 体积大 原边电流存在严重的环流 造成较大损耗 20 22 7 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 q1 q2 q3 q4 c4 vin c1c3 c2 t1 lr t2 ro d5 d6 lf cf cd d7 d8c5 图 1 7 所有开关器件均能实现 zvs 的新型拓扑结构 图 1 8 所示改进电路在基本移相控制全桥zvs变换器基础上增加了两个辅 助电路 23 其中一个辅助电路加在变压器原边 是为了使滞后臂更好地实现零 电压开关 另一个辅助电路加在变压器副边 可以减小高频变压器中的导通损 耗 提高效率 该改进型变换器滞后臂实现zvs较容易 电路零电压负载范围 很宽 同时副边占空比损失很小 但是 该电路增加了两个辅助网络 成本增 加 电路结构过于复杂 控制困难 图 1 8 增加两个辅助网络的改进型拓扑结构 图 1 9 所示的改进电路是在变压器原边加入了一个由一个电容 四个辅助 二极管和两个辅助电感构成的无源辅助电路 24 25 该改进型电路 在全桥对角 两个开关管导通的工作状态下 两个辅助电感和 a l b l 与电容发生谐振 谐振 产生的附加电流有利于超前臂和滞后臂四个开关管的结电容的充放电 有助于 zvs的实现 可以拓宽负载范围 并且加入的四个二极管能够钳位输出整流二 极管上的电压振荡 同时辅助无源电路损耗很低 但是 附加电流增大了导通 损耗 电感设计复杂 副边仍然存在占空比丢失 a c 8 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图 1 9 原边加入无源辅助电路的 fb zvs pwm 拓扑 图1 10所示改进电路是在变压器原边增加了一个辅助谐振电感和两个钳位 二极管 这个电路是由r redl等人提出来的 可以消除副边输出整流二极管上 由于反向恢复过程引起的电压振荡和电压尖峰 这样就可以省去副边输出整流 二极管上有损吸收电路 可以选用额定电压较小的二极管 26 27 有利于降低成 本和提高效率 图 1 10 r redl 等人提出的新型移相控制全桥 zvs 拓扑结构 图 1 10 所示的变换器又因为超前臂与滞后臂的不同而工作在不同的状态 如果和组成超前臂 则变压器与超前臂相连 这样两个钳位二极管和 在一个开关周期中会导通两次 但是只有一次能够起到消除副边输出整流二极 管上电压尖峰的作用 另外一次导通钳位会增大开关管和钳位二极管中的导通 损耗 以及钳位二极管中的关断损耗 因此 若将变压器原边与滞后桥臂相连 就会产生另外一种改进电路结构 这种拓扑结构中钳位二极管在一个开关周期 中只导通一次 消除了另一次导通带了的损耗 有助于进一步提高效率 同时 电路结构简单 控制方便 成本较低 可靠性高 非常适合做本文所设计的电 动汽车车载充电电源的主电路拓扑结构 1 q 2 q 7 d 8 d 1 3 2 零电压软开关全桥变换器研究现状 20 世纪 70 年代以来 国内外开关电源界为了弥补硬开关技术的缺点和提 高开关频率 不断积极研究软开关变换技术 最早出现的是全谐振变换器 resonant converters 分为串联负载谐振变换器 srcs 和并联负载谐振变换器 prcs 接着出现的是准谐振变换器 qrcs 和多谐振变换器 mrcs 然后出现 9 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 了零电压开关 pwm 变换器和零电流开关 pwm 变换器 最后是零电压转换和 零电流转换 pwm 变换器 综合比较 在这些变换技术以及拓扑结构中 目前国内外中大功率场合的 dc dc 变换器中最常用到的就是全桥零电压 pwm 电路拓扑结构 移相控制全桥零电压软开关脉宽调制变换器 ps fb zvs pwm 的概念是 由 r a fisher 在 1988 年提出的 同时利用这个技术做出了 250w 500khz 的 dc dc 变换器 ieee 电力电子学会在 1994 年 2 月组织的 功率变换技术 2000 年展望专题研讨会 上 指出无源元件 封装技术以及器件性能等对高功率密 度 zvs 变换器都有很大影响 对zvs软开关功率变换器的研究 国内起步相对较晚 国内的华伟 郑国 青等人提出的倍流整流电路 28 29 实现了输出整流二极管的自然换流 消除了 电压尖峰振荡 能够在很宽的范围内实现零电压开关 张军明 张方等人在 2004 年做出了一台zvs pwm全桥dc dc变换器 30 基本参数为 2 8kw 200khz 在 生产层面 中兴公司采用了apfc技术以及导通电阻很低的新型器件将软开关电 源产品在 20 50 负载范围内的效率提高到 90 以上 满载条件下达到了 92 以上 1 4 本文主要研究内容 综上所述 为了促进电动汽车的发展 改进电动汽车的辅助充电设备 本 文设计了一种能够满足恶劣车载工况所提出的密封自然冷却 抗机械冲击和震 动 高可靠性等一系列要求 并且对电网谐波污染很小的高效率车载充电电源 本文根据电动汽车车载充电电源的技术指标 研制了一台 2 4kw 的车载充 电电源样机 主要研究内容如下 1 根据车载充电机的技术指标和防护等级 设计通过前级有源功率因数 校正电路和后级 dc dc 变换电路构成的车载充电电源的总体实现方案 2 通过对比不同电路拓扑结构和控制方式的优缺点 设计由平均电流模 式控制的单级 boost 电路构成的前级有源功率因数校正电路 设计前级电路的 技术参数 并据此设计其主电路 控制电路和辅助电源的相关参数 利用 saber 仿真软件对其进行仿真验证和参数优化 3 通过比较多种改进型移相控制全桥零电压 pwm 变换器的优缺点 选 定基于二极管钳位的改进型变换器 详细分析该变换器的工作原理和特点 分 析影响副边占空比丢失的因素 并设计基于峰值电流模式的控制电路 根据得 到的后级电路的技术参数 设计其主电路和控制电路的相关参数 利用 pspice 仿真软件进行仿真分析 10 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4 利用理论分析和仿真优化得到的器件参数完成一台 2 4kw 的车载充 电电源样机 测试不同负载条件下的功率因数校正效果和输出特性 以及不同 负载条件下的零电压软开关实现情况 并测试该电源样机的整机效率曲线 进 行相应的实验验证 11 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 2 章 电动汽车车载充电电源结构方案 本章给出了所设计的电动汽车车载充电电源的技术指标 并根据该技术指 标设计了总体结构 通过对比不同的电路拓扑结构选定了各部分的主电路和控 制电路的具体实现形式 2 1 车载充电电源的技术指标 该车载充电电源系统的技术指标如下 1 输入特性要求 输入电压 220vac 50hz 20 环境温度 20 60 c c 2 输出特性要求 输出电压 最大 dc24v 可编程控制 输出电流 dc0 100a 可编程控制 输出功率 最大 2 4kw 附加输出 dc12v 3w 3 性能要求 整机最大效率 92 功率因数 0 97 总谐波畸变率 thd 7 负载调整率 1 保护电路 输出 dc28v 过压保护 220vac 输入时输出 dc105a 过流保护 短接 反接 断路保护 4 防护等级要求 满足 ip65 要求 2 2 充电电源总体结构 根据本章给出的技术指标 该车载充电电源必须具有功率因数校正环节 否则车载充电电源的功率因数会比较低 另外网侧电流的谐波含量会较高 总 谐波畸变率很难降低到 7 以下 同时 根据输出特性的要求 该车载充电电源 的功率变换环节的电流电压调节范围很宽 因此 可以有两种方案实现该车载充电电源的总体结构 一种是采用单级 12 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 电路 即把有源功率因数校正电路和 dc dc 变换电路合二为一 另一种是采用 两级电路 即把有源功率因数校正电路和 dc dc 变换电路分成前后两级电路 其中 单级电路采用同一套功率器件和同一套控制电路 效率较高 电路 结构简单 成本低 体积小 但是单级电路控制复杂 调试困难 网侧功率因 数相对较小 电流谐波含量较大 同时输出电压和输出电流纹波相对较大 调 节范围较小 适合于中小功率场合的应用 难以满足该车载充电电源的高性能 要求 两级电路结构采用两套功率电路和两套控制电路 效率比单级电路稍低 但是两级电路结构控制简单 调试方便 功率因数高 网侧电流谐波含量低 同时输出电压和输出电流纹波小 调节范围大 负载调整率好 适合中大功率 场合的应用 能够满足车载充电电源的要求 因此 选用两级电路结构 即前级有源功率因数校正电路和后级 dc dc 变 换电路来实现该车载充电电源的整体拓扑结构 另外 为了满足充电电源附加输出 dc12v 3w 的要求 同时给前级有源功 率因数校正电路的控制电路以及后级变换器的控制电路供电 需要设计辅助电 源 该车载充电电源的整体结构框图如图 2 1 所示 图 2 1 车载充电电源的整体结构框图 为了满足车载充电电源的总体技术指标 需要合理设计两级电路的各自输 入输出参数 以便在满足技术指标的基础上提高变换器的整机效率 2 3 前级有源功率因数校正电路方案 2 3 1 有源功率因数校正电路的技术参数 为了减小车载充电电源对电网造成的谐波污染 非常有必要加入前级功率 因数校正电路 31 33 综合考虑前后级电路的相互影响 设计其主要技术参数为 13 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 输入电压 220vac20 50hz 2 输出电压 390vdc 10v 3 开关频率 s 70khz f 4 功率因数 pf 0 97 5 总谐波畸变率 thd 7 6 最大效率 95 2 3 2 有源功率因数校正主电路方案 有源功率因数校正利用ac dc变换技术 直接使输入电流变成与电网电压 同相位的正弦波 功率因数可以达到 0 99 以上 适合大功率场合 34 39 有源功率因数校正主电路拓扑有很多种 按照电路结构分为单级apfc电路 和两级apfc电路 两级apfc电路由分别实现网侧电流整形和负载侧输出电压 调节的两个独立变换器构成 它的优点是 功率因数很高 thd小 输出电压 稳定度好 适合宽范围的输入电压和大范围的输出功率 缺点是 开关管和控 制电路至少需要两套 成本和体积都有所增加 电路结构复杂 40 与两级apfc 电路相比 单级apfc电路具有很多优点 41 开关管和控制电路只需一套 体 积减小 成本降低 电路结构简单 可以提供任何设定的电压和电流变比 功 率变换一次性完成 效率和可靠性都较高 调节速度快 因此本文所设计的车 载充电电源选用单级apfc电路 apfc的基本电路有很多 如buck boost buck boost cuk和flyback等变 换器 42 原则上这些基本电路均能满足要求 但是 apfc电路是对网侧输入 电流进行整形 保证输入电流为正弦波 并与输入电压同相位 因此必须在apfc 电路中加入电流反馈控制 电流反馈取自电感电流 实际应用中最常使用 flyback和boost电路结构 因为这两种电路中电感串联在输入端 输入电流就是 电感电流 对电感电流进行反馈控制就是对输入电流进行反馈控制 其中 flyback变换器属于简单电压型控制 虽然可以实现升降压输出 并可以实现输 入输出之间的隔离和多路输出 但是反激变压器磁化曲线是单向的 实现磁复 位困难 设计复杂 利用率低 因此适合 150w以下的小功率场合 boost变换 器的电感串在输入端 易于实现电流模式控制 不需要加入斜坡补偿 电感电 流连续 输入电流也连续 boost电感不仅用来储能而且还能作为滤波器 输入 电流谐波含量很低 功率开关管的源极接地 电位始终为零 驱动控制简单 输出电压高 功率因数很高 电路设计简单 具有很高可靠性 同时成本和体 积较小 43 44 通过以上分析 本系统选择单级 boost 电路作为 apfc 主电路的方案 14 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 3 3 有源功率因数校正控制电路方案 apfc的控制方式按照电感电流是否连续分为以下几种 断续模式 dcm 连续模式 ccm 以及介于两者之间的临界模式 crm 它们各自有不同的 优缺点 断续控制模式结构和控制简单 但其功率因数与输入输出电压的比值 和频率有关 在相同输入电压条件下输出电压越高 功率因数越大 频率越大 功率因数也越大 电流断续导致电流峰值较大 损耗增加 输入电流纹波很大 输入滤波电路复杂 输出电压纹波较大 因此 断续模式只适合对功率因数要 求不高的小功率场合 45 相比断续电流模式 连续电流模式的优点有 电路的 thd 和 emi 都很小 由于电感电流连续 电流峰值小 导通损耗小 器件应力小 输入电流和输出 电流的纹波小 适合大功率场合应用 连续电流模式又可以分为间接电流控制模式和直接电流控制模式 其中 间接模式通过控制输入电压的波形和相位来间接控制输入电流的波形和相位 结构较简单 46 但是本身没有过流保护能力 动态响应比较慢 直接电流控制 也叫做乘法器模式控制 是目前应用最多的模式 利用乘法器控制就需要选择 用哪个电流做反馈控制 又分为峰值电流模式 pcmc 电流滞环模式 hcc 和平均电流模式 acmc 三种电流模式的特点如表 2 1 所示 表 2 1 ccm 控制模式下三种电流控制方式比较 控制方法 开关频率 检测电流 工作模式对噪声 敏感度 使用拓扑 结构 其他 峰值电流 恒定 开关管电流ccm 敏感 boost 需要斜坡补偿 电流滞环 变频 电感电流 ccm 敏感 boost 需要逻辑控制 平均电流 恒定 电感电流 任意 不敏感任意 需要电流误差 放大器 由表 2 1 可知 平均电流模式控制方式采用的是电感电流反馈控制 电感 电流纹波小 动态特性好 thd 和 emi 小