PWM整流器在電動(dòng)汽車充電機(jī)上的應(yīng)用

1 引言

電動(dòng)汽車（ev）是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)前進(jìn)的［1］，而電機(jī)的動(dòng)力則是來(lái)自可循環(huán)充電的電池［2］，并且電動(dòng)汽車對(duì)電池的工作特性的要求遠(yuǎn)超過(guò)了傳統(tǒng)的電池系統(tǒng)。隨著電池技術(shù)的提高，因?yàn)殡妱?dòng)汽車電池系統(tǒng)中的高電壓和大電流的以及復(fù)雜的充電算法，所以對(duì)電池的充電變得越來(lái)越復(fù)雜［3］，這樣會(huì)對(duì)現(xiàn)有的電網(wǎng)造成很大的干擾。因此，需要高效而且失真度低的充電機(jī)［4］。

從傳統(tǒng)上來(lái)講，充電器可以被分為兩個(gè)大類：線性電源和開(kāi)關(guān)電源［5］［6］［7］。線性電源主要有三方面的優(yōu)勢(shì)：設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，在輸出端沒(méi)有電氣噪聲而且成本比較低。但是線性電源的充電電路效率低對(duì)充電器來(lái)說(shuō)是一個(gè)很嚴(yán)重的缺點(diǎn)。使用開(kāi)關(guān)電源可以解決這些問(wèn)題，開(kāi)關(guān)電源的效率高，體積小而且成本也低。傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源式充電機(jī)采用不可控或者半控器件如晶閘管進(jìn)行整流，雖然能夠得到較為平滑的直流電壓，但是同時(shí)也給電網(wǎng)注入了大量的無(wú)功功率和諧波電流，給電網(wǎng)造成很大的污染［8］。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，三相電壓型pwm整流器（vsr）因其具有功率因數(shù)可控、網(wǎng)側(cè)電流趨近于正弦、直流側(cè)電壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在汽車充電器中，可以解決功率因數(shù)低、諧波電流大等問(wèn)題［9］。

但是pwm整流器的開(kāi)關(guān)元件在電壓和電流全不為零的時(shí)候動(dòng)作會(huì)消耗能量［10］，而且隨著開(kāi)關(guān)頻率增加，在開(kāi)關(guān)器件上的損耗會(huì)變得越來(lái)越大［11］。使用諧振型零電壓軟開(kāi)關(guān)可以解決這些問(wèn)題，而且具有很多的優(yōu)點(diǎn)：功率開(kāi)關(guān)的軟切換，在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的損耗將會(huì)很小，反過(guò)來(lái)會(huì)增加充電的效率而且可以增加運(yùn)行的頻率［12］。這樣充電機(jī)的體積和重量也會(huì)得到減?。?3］。另外一個(gè)好處是，在使用諧振［型軟開(kāi)關(guān)后，整流器中電壓電流中的諧波含量會(huì)得到降低［14］。因此，當(dāng)諧振型的整流器和傳統(tǒng)整流器工作在相同的功率等級(jí)和開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，諧振型的整流器造成的emi問(wèn)題會(huì)小很多［15］。使用諧振型的整流［器去提高充電［16］機(jī)的功率等級(jí)、充電效率、可靠性和其他的工作特性［17］。

三相諧振型逆變器廣泛的應(yīng)用在電機(jī)調(diào)速控制等領(lǐng)域［20］，本文以三相逆變器為原型，設(shè)計(jì)了三相pwm整流器。并且根據(jù)諧振型整流器的特點(diǎn)，對(duì)控制方法進(jìn)行了改進(jìn)，使其能夠達(dá)到最低的失真度（df）和最小的總諧波失真（thd）。將它運(yùn)用在電動(dòng)汽車充電機(jī)上，能夠減小充電站的功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)的壓力，而且由于采用了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，不會(huì)由于增加了可控開(kāi)關(guān)管，而導(dǎo)致充電效率降低，為充電機(jī)的大規(guī)模并入電網(wǎng)提供了必要條件。

2 充電機(jī)的總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1從原理上描述了充電機(jī)的總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，圖中包括幾個(gè)主要的部分：

（1）emi濾波器：抑制交流電網(wǎng)中的高頻干擾對(duì)設(shè)備的影響，同時(shí)屏蔽電動(dòng)汽車充電機(jī)對(duì)交流電網(wǎng)造成的干擾；

（2）三相pwm整流器：三相pwm整流器應(yīng)用在充電機(jī)上能夠提高功率因數(shù)，而且能夠減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染；隨著功率因數(shù)的提高，充電站功率因數(shù)校正（pfc）的壓力會(huì)得到降低。由于其具有功率因數(shù)可控的功能，既可以將它應(yīng)用在充電機(jī)上，也可用作整個(gè)充電站的功率因數(shù)校正（pfc），因此會(huì)有廣泛的應(yīng)用前景，本文將主要對(duì)他進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（3）全橋逆變器：將整流得到的直流電壓逆變成高頻交流方波，用以通過(guò)高頻變壓器，并通過(guò)調(diào)節(jié)占空比改變輸出的電壓電流的大??；

（4）高頻變壓器：傳輸頻交流電能，同時(shí)能夠?qū)⒇?fù)載和前級(jí)電路進(jìn)行隔離；

（5）不可控整流橋：對(duì)高頻變壓器傳輸?shù)慕涣鞣讲ㄕ鳎糜趯?duì)電池進(jìn)行充電。

在主電路中受控的主要是三相pwm整流橋和全橋逆變器兩個(gè)主要環(huán)節(jié)，但是在提高功率因數(shù)和充電效率等方面，需要著重的分析三相pwm整流器的運(yùn)行機(jī)理，所以在下文的討論中主要關(guān)注如何通過(guò)改進(jìn)三相整流器的電路并通過(guò)改進(jìn)控制方式來(lái)達(dá)到要求。

3 三相pwm整流器電路結(jié)構(gòu)與動(dòng)作分析

圖2為帶有軟開(kāi)關(guān)的三相pwm整流器的電路結(jié)構(gòu)，電路圖的左半部份為三相pwm整流橋，右半部分為零電壓開(kāi)關(guān)電路（zvs），并且在開(kāi)關(guān)器件上都并聯(lián)了緩沖電容。

由于整流器的開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)高于電網(wǎng)頻率，因此在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)可以認(rèn)為整流器的輸入電流和輸出電流是恒定的，從而可以用恒流源is和il來(lái)表示輸入電流和輸出電流。因此可以用圖3作為圖2的等效電路，在圖3中sreg、ds、cr1分別代表整流器的功率開(kāi)關(guān)、續(xù)流二極管和緩沖電容。由于三相整流橋的上下橋臂功率開(kāi)關(guān)器件總有一方導(dǎo)通，所以cr1=3cs。軟開(kāi)關(guān)部分包含了兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件sa1、sa2，兩個(gè)二極管d1、d2，諧振電感l(wèi)r和諧振電容cr1、cr2。在軟開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)中cr1是主諧振電容，cr2是輔助電容用于將諧振電感l(wèi)r的電流ilr反向。在主諧振電容vcr1為0期間，三相橋的功率開(kāi)關(guān)進(jìn)行動(dòng)作，可以實(shí)現(xiàn)零電壓操作，極大的降低了功耗。

通過(guò)這個(gè)軟開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)可以將整流橋和輔助開(kāi)關(guān)完全置于軟開(kāi)關(guān)的條件之下，同時(shí)能夠省去直流環(huán)節(jié)的濾波電容（電解電容），能夠減小充電器的體積，并且能夠?qū)ρ娱L(zhǎng)充電機(jī)的壽命起到極大的作用。

4 實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行

對(duì)整流器交流側(cè)運(yùn)用基爾霍夫電壓定律可以得到電網(wǎng)電壓、整流橋壓降和電感電阻壓降之間的電壓關(guān)系等式：

（1）由于分布電阻r的阻值較小，忽略分布電阻壓降后可以得到電壓之間的向量圖如圖4（a）所示。


提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，并實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，交流側(cè)的電壓和電流的方向需要保持一致（如圖4（b））所示，可以通過(guò)控制三相整流橋上的壓降的大小和相角來(lái)調(diào)節(jié)電流的方向。采用直接電流控制來(lái)調(diào)節(jié)三相整流橋上的壓降，通過(guò)對(duì)整流器直流側(cè)的電壓進(jìn)行反饋和交流側(cè)電流的前饋控制，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的大小和向量，并最終使交流側(cè)電壓電流的方向保持一致，實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)運(yùn)行。

5 svpwm應(yīng)用在pwm整流器

svpwm在整流器上被廣泛的應(yīng)用著，因?yàn)樽畲筝敵鲭妷罕萻pwm調(diào)制方法要高出15%，同時(shí)諧波特性也要比別的調(diào)制方法要好很多［18］，同時(shí)能夠保持最低的開(kāi)關(guān)頻率［19］，但是在將svpwm應(yīng)用到帶有軟開(kāi)關(guān)的整流器的時(shí)候，在采樣周期的電壓向量序列需要做一些改變。

（2）其中，瞬時(shí)空間向量是dq坐標(biāo)系下的8個(gè)空間向量，如圖5（a）所示，大小為，其中包含6個(gè)非零的向量v1~v6和兩個(gè)零向量v0、v7，并且將整個(gè)dq平面均分成6個(gè)扇形區(qū)域ⅰ~ⅵ。

根據(jù)文獻(xiàn)［20］，在帶有軟開(kāi)關(guān)的三相整流器中，采用svpwm方式最好的調(diào)制方法是按照?qǐng)D5（b）所描述的向量作用順序，使用這種方法能夠獲得最低的失真度（df）和最小的總諧波失真（thd）。在圖5b的調(diào)制方法中，v0、v1、v2分別代表的是零向量和兩個(gè)非零向量。在同一個(gè)扇形區(qū)域中，兩個(gè)非零向量在作用時(shí)間t=2*δθ=2ωts中交替著作為第一個(gè)作用向量，并且在兩個(gè)非零向量作用時(shí)間中間添加進(jìn)零向量的作用時(shí)間。

圖6為三相整流器的控制框圖，分為3個(gè)部分：最左側(cè)的是軟開(kāi)關(guān)作用時(shí)間和向量序列作用時(shí)間控制塊，負(fù)責(zé)產(chǎn)生諧振控制時(shí)間t1和三個(gè)電壓合成向量的作用時(shí)間t0、t1、t2；中間是軟開(kāi)關(guān)和整流器igbt門信號(hào)的產(chǎn)生器，通過(guò)接收控制器的時(shí)間信號(hào)，產(chǎn)生滿足要求的igbt門信號(hào)；最右側(cè)則是被控對(duì)象三相整流橋（vsr）和軟開(kāi)關(guān)（zvs）的電路。通過(guò)控制sa1、sa2的通斷，給svpwm的向量作用序列創(chuàng)造零電壓的開(kāi)關(guān)時(shí)間，同時(shí)按照改進(jìn)的svpwm向量作用順序，能夠極大的減小因?yàn)楣β使茉龆喽斐傻某潆娦氏陆档膯?wèn)題。

6 仿真結(jié)果

為了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和分析，對(duì)帶有軟開(kāi)關(guān)的三相pwm整流器在matlab/simulink中進(jìn)行了仿真，仿真的參數(shù)如下：交流側(cè)的三相電壓為380v，開(kāi)關(guān)頻率為20khz，直流側(cè)電壓設(shè)定值為450v，電路參數(shù)：cr1=6500μf，cr2=450μf，lr=20mh。

仿真結(jié)果如圖7和圖8所示：圖7（a）中表示的是直流側(cè)電壓的仿真波形，可以發(fā)現(xiàn)直流側(cè)電壓vdc基本穩(wěn)定在450v，而且電壓的波動(dòng)范圍很小，符合設(shè)計(jì)的要求，圖7（b）表示的是電網(wǎng)側(cè)交流電壓電流之間的關(guān)系，在直流側(cè)電壓穩(wěn)定后，電壓和電流一直保持著同相的關(guān)系，功率因數(shù)接近為1，能夠?qū)崿F(xiàn)充電機(jī)的高功率因數(shù)運(yùn)行的要求；圖8（a）表示的是電壓的調(diào)制比的大小，同樣他的波動(dòng)范圍非常小，圖8（b）表示的是有功和無(wú)功電流的大小，可以看到無(wú)功電流一直穩(wěn)定在0附近，整流器的功率因數(shù)能夠接近為1。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文采用開(kāi)關(guān)電源技術(shù)設(shè)計(jì)了大功率的汽車充電器，并對(duì)三相pwm整流器進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。綜合采用了零電壓軟開(kāi)關(guān)（zvs）技術(shù)和空間矢量脈寬調(diào)制（svpwm）技術(shù)，并且根據(jù)軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)條件對(duì)svpwm的調(diào)制方法進(jìn)行改進(jìn)，使其能夠獲得最低的失真度（df）和最小的總諧波失真（thd）。最后對(duì)三相pwm整流器進(jìn)行了仿真，仿真顯示充電過(guò)程中能夠獲得很高的功率因數(shù)，而且交流側(cè)電流接近于正弦，直流側(cè)電壓穩(wěn)定。由于充電機(jī)能夠達(dá)到很高的功率因數(shù)，同時(shí)諧波含量也很低，所以可以減小充電站的功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)的負(fù)擔(dān)，同時(shí)設(shè)計(jì)的三相整流器由于具有功率因數(shù)可控的特點(diǎn)，可以用作充電站的功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)，為充電機(jī)的大規(guī)模使用提供了必要條件。