电动汽车充电站电源模块设计

电动汽车充电站电源模块设计张志全;颜钢锋【摘要】Theprincipleofphaseshiftcontrolledfull-bridge(FB)converterwasanalyzed,andareliableIGBTdrivercircuitwaspresented.Basedontheabove,apowersupplymodulewithconstantvoltageorconstantcurrentoutputwasdesignedforelectricvehiclecharging.Differentialvoltagefeedbackmadeitpossibletoachieveseriesandparallel.Finally,aprototypewasdevelopedwiththree-phaseAC380Vinput,DC100Voutput,10kWoutputpower.Theexperimentalresultsshowthatthepowersupplyhasgoodcontrolperformance,strongflexibilityandreliability.%分析了移相全桥变换器的工作原理,提出一种安全可靠的IGBT驱动电路据此设计了一种面向电动汽车充电站应用的电源模块，该电源模块具有恒压和恒流两种输出方式.电压反馈采用差分方式，可以实现串并联.根据设计试制了一台输入为三相380V交流,输出为100V,功率为10kW的样机.实验结果表明，该电源系统具有良好的控制效果、很强的灵活性和可靠性.【期刊名称】《电源技术》【年(卷)，期】2013(037)002【总页数】3页(P263-265)【关键词】全桥变换器;串并联;电源模块【作者】张志全;颜钢锋【作者单位】浙江大学电气工程学院，浙江杭州310027;浙江大学电气工程学院，浙江杭州310027【正文语种】中文【中图分类】TM910.6由于环境与能源的压力，电动汽车将是汽车发展的一个方向和趋势，电动汽车的普及与广泛应用还存在着不少待解决的问题，其中的一个关键技术就是电动汽车的充电技术。目前电动汽车主要有以下充电方式：常规充电、快速充电、无线充电、更换电池［1］，其中更换电池的优点是电动车电池不需现场充电，更换电池时间较短，更换下来的电池可以由充电站统一充电。由于充电站每天换下来的电池数量不同，甚至型号不同，对充电电源的电压、电流、功率的要求多样。面对电动汽车充电站这种需求，本文设计了一种电压0-100V可调、电流0~100A可调、最大功率为10kW的电动汽车充电模块，该电源模块既可以独立的作为一个可调电压、电流源来使用，亦可把多个模块进行串并联来使用，以实现更大电压、电流、功率的要求。1电路结构与工作原理1.1系统总体结构图1所示为该电源模块总体的系统结构框图。该系统主要由三相整流模块、全桥IGBT功率模块、高频变压器、输出滤波电感、输出滤波电容和主控制电路组成［2］。该系统的输出分为两种方式：恒压输出和恒流输出。因此该系统的反馈回路有两路:—路是内环为限流环，夕卜环为电压环的反馈回路（恒压输出方式）；另一路是只有电流环的反馈回路（恒流输出方式）。两路反馈信号经过一个多路模拟选择器（由单片机控制）送入移相控制芯片UCC3895，产生PWM信号，再经过IGBT驱动电路来控制IGBT。在恒压模式下内环的限流环可以起到限流的作用。在恒流模式下，系统的最大输出电压即为全桥电路以最大占空比输出时的电压，不需要限压，只有一个电流环。系统中的电压、电流环均是限幅PI调节器，由硬件电路来实现，以达到该电源模块负反馈的快速性，而电压参考Uref，电流参考Iref，恒压和恒流两个工作模式的选择，过压、欠压、过流、过温保护以及和计算机的通信都是由单片机来完成的，以实现该电源模块的灵活性。1.2主功率电路及反馈回路全桥变换器的拓扑开关管的稳态关断电压等于直流输入电压，而不是像推挽、单端正激或交错正激拓扑那样为输入电压的两倍，且全桥变换器的输出是具有正负的全波，不会造成变压器磁芯的偏磁，广泛用于大功率电源中，因此该电源采用全桥变换器拓扑结构，如图2所示。图2功率单元拓扑结构VS1、VS2组成变换器的超前桥臂，VS3、VS4组成变换器的滞后桥臂，Lk为变压器漏感，Cb为隔直电容，用于平衡变压器伏秒值，防止变压器偏磁。变压器变比为3:1，变压器次级输出采用全桥整流。该拓扑利用变压器漏感Lk和功率开关管的并联电容C1、C2产生谐振来实现超前臂的零电压开通与关断。变压器副侧采用由Dh、Dr、Cc组成的辅助电路来实现滞后臂的零电流开通与关断，改变对角线上开关管驱动信号之间的相位差来改变占空比，以达到调节电源输出功率的目的［3］。其主要的工作波形如图3所示。图3主要工作波形该全桥拓扑的超前臂实现ZVS的条件是在死区时间内，要有足够能量来抽走将要开通的开关管的并联电容上的电荷，使电容电压下降为零［4］。输入电压Vin=513V，输入电流最大为33A,设在13时达到ZVS，则有：滞后臂要实现ZCS，要求原边电流在超前管关断后到滞后管关断前这段时间里，能够减小到零［4］，所以电容Cc上储存的能量要大于变压器漏感中的能量。电容与电感上储存的能量分别为：由Wc=WL,得：式中：Vin=513V;Vo=100V;Iin=33A;K=3;实际测得Lk=8pH;计算得Cc=0.43pF。该电源模块能够串并联，要求反馈电压、电流信号必须和主电路的参考地没有关系，因此该电源模块的电流采样采用霍尔电流传感器，而电压采样则采用差分信号反馈（如图4所示），它只和输出电压正负两端的电压差有关系。在两个模块串联的时候，上下两个电源模块的V-端的电压是不一样的，但这对每个电源模块的电压反馈是没有任何影响的。另夕卜控制电和主电路也是隔离的，因此该电源模块可以实现串并联。如图4所示，电压反馈信号V+和V-经过一个差分式减法电路得到电压反馈信号Vo。图4电压、电流反馈回路从传递函数可以看出该调节器由一个PI调节器和一个滤波调节器组成［5］。调节R5和R6的比值即改变比例系数，调节R5和C1即可改变积分常数。该调节器也可以提供一个原点极点、一个低频零点和一个高频极点的补偿网络，选择合适的参数可以调节闭环系统的稳定性与快速性。图4中的稳压管对调节器起到限幅的作用。1.3IGBT驱动如图5所示，在本电源模块中，IGBT驱动电路是由变压器和光耦组成。交流15V输入（由直流15V经过由MOSFET组成的H桥逆变得到）送入一个多抽头高频变压器（工作频率为30kHz）。变压器副侧输出经全波整流滤波后给光耦供电。每个驱动电路驱动一个IGBT。图5IGBT驱动电路该驱动电路的特点有：（1）产生导通IGBT所需要的正向栅极电压VGE，当光耦导通时，Vo输出电压为VCC，相对于变压器中点电压VE是一个正的驱动电压。（2）产生IGBT关断所需要的负压VGE，当光耦关断时，Vo输出电压为VEE，相对于变压器中点电压VE是一个负的关断电压，可以快速关断IGBT，并且可以有效防止由于IGBT快速关断带来的误导通，保证IGBT安全、可靠地工作。（3）驱动电路与主电路和控制电路均是隔离的，另夕卜控制光耦的两路PWM信号是同一个桥臂的上下两个管子的PWM信号，这样只有PWMA为高、PWMB为低时，光耦才会导通，下管的驱动是相反的，可以防止两只管子同时导通。⑷IGBT的栅射极之间并接两只反串联的稳压二极管，可以有效抑制驱动电路出现的高压尖脉冲，这对IGBT起到了保护作用［5］。（5）4个驱动电路彼此之间几乎没有相互干扰，因为它们采用的是不同变压器。有很多电源的控制和驱动供电采用的是TOPSwitch结构，用一个变压器产生多组隔离的电压，来提供关断IGBT时所需要的负压，但它们彼此之间很容易引进干扰，本电源采用驱动方法没有这些缺点。1.4电源模块的串并联该电源模块可以当作一个独立的电源来使用，也可以串并联使用。当多个模块进行串并联时，只需要在上层用一个控制器来给定各个电源模块的电压、电流值即可，当然各模块的电压、电流给定是根据负载和电源之间的回流而时时变化的，来实现各电源模块之间的均流、均压。这样设计的优点是电源使用起来非常灵活，可以单独使用，可以串并联使用，非常适合给电动汽车充电站使用，以满足其各种不同功率的充电要求。2实验结果分析根据上面的设计，研制了一台功率为10kW的实验样机，部分实验波形如图6所示。由图6可以看到驱动电路提供的负电压可以保证在IGBT关断时，VGE在0V以下，而且驱动电路的抗干扰能力很好。超前臂IGBT开通时，VCE已经为零，关断时VCE缓慢上升，实现了ZVS。由图7可以看出滞后臂IGBT开通时，电流上升缓慢，关断时电流已经为零，实现TZCSO3结论本文设计了一种适合电动汽车充电的电源，该电源采用了全桥变换器拓扑和硬件电压电流环。在超前臂IGBT并联适合的电容，在变压器副边增加简单的辅助电路，实现了移相全桥ZVS、ZCS软开关技术，大大降低IGBT开关器件的损耗。本文设计的变压器加光耦的IGBT驱动电路可以实现IGBT的可靠开关，并且抗干扰能力很好，经实验验证具有非常好的效果。最后样机的实现证明了本设计的可行性。参考文献：鲁莽，周小兵，张维.国内外电动汽车