基于移相控制的電動汽車用充電機主電路分析研究

引言

目前，我國已完成了電動大、中型客車的研究開發工作，在某些城市作為一種理想的日常公共交通工具已經投入示范運營。在城區繁華地帶開通電動汽車公交線路，可以有效地解決汽車尾氣排放和石油原材料緊缺等問題。因此，充電技術成為電動汽車發展的關鍵技術之一，研制大功率高頻智能充電機用于構建電動公交車公共充電站具有重要意義。

充電機主電路采用移相控制ZVZCS PWM全橋變換器，在變壓器副邊加入電容C和兩只二極管Dc、Dh，采用簡單的輔助電路復位電流，實現了超前橋臂的ZVS和滯后橋臂的ZCS。

1、充電機主電路拓撲

傳統的移相控制全橋軟開關電路采用變壓器漏感或原邊串聯電感和功率開關管的寄生電容的諧振實現零電壓開關。而滯后橋臂主要依靠變壓器漏感儲能，導致滯后橋臂不易滿足零電壓開關的條件。本文采用了一種ZVZCS的電路拓撲結構，如圖l所示。

Vs是單相或三相交流輸入經過整流濾波后得到的直流電壓，S1、S2、S3、S4是功率開關器件，C1、C3為超前橋臂的并聯電容，Llk是變壓器的漏感，T為變壓器，D1、D2、D3、D4為續流二極管，輔助電路由鉗位電容C和兩只二極管Dc、Dh構成，Lo為輸出濾波電感，Co為輸出濾波電容。

首先S1、S4導通，原邊向副邊輸出能量，鉗位電容Cc被充電至最大值。關斷S1，原邊電流Ip給C1充電，給C3放電，由于C1的存在，S1為零電壓關段，此時漏感和輸出濾波電感Lo串聯，共同提供能量；原邊電壓和副邊電壓均下降，當副邊電壓下降至箝位電容電壓時，由于Cc的作用，使變壓器副邊電壓下降速度比原邊慢，導致電壓差，作用于Llk使原邊電流下降。C3放電至零，為S3提供零電壓開通的條件。二次側感應電壓作用于Llk，加速了原邊電流Ip的下降，直至Ip完全復位。開關切換方式為+1/0，0狀態處于電流復位模式。箝位電容Cc提供負載電流，副邊電壓下降。Cc放電完全，整流二極管D1～D4全部導通續流，在續流期間由于原邊電流已經復位，此時關段S4，開通S2，由于漏感Llk原邊電流不能突變，S4零電流關段，S2零電流開通。

2、主電路工作過程分析

全橋變換器在半個周期內有9種工作狀態，記為模式1～模式9。

2.1 模式1

S1、S4導通，原邊電流流經S1、Llk、原邊繞組、S4；副邊電流流經D1、L。、R。、D4和副邊繞組，Cc通過Dc、Co充電，輸入側向輸出側傳遞能量。將電路進行簡化，如圖3所示，由于輸出濾波電感Lo與Llk相比較大，視為恒流源，等效電路如圖4所示。

2.2 模式2

當cosωat=-1時，VCc(t)達到最大值，則sjmωat=o，Ip(t)=nIo，Ic(t)=0，二極管Dc關斷，變壓器副邊電流流經D1、L。、Co、R。、D4和次邊繞組，簡化電路如圖5所示。此時：

2.3 模式3

S1關斷，原邊電流從S1轉移至C1和C3，給C1充電，給C3放電，簡化電路如圖6所示。由于C1的存在，S1是零電壓關斷。變壓器原邊漏感Llk和輸出濾波電感L。串聯，Llk值較小，Lo值較大，可視為原邊電流Ip基本不變，Ip(t)=nIo。變壓器原邊電壓Vab和整流橋輸出電壓Vrec以相同的斜率線性下降：

2.4 模式4

當整流橋輸出電壓Vrec線性降至箝位電壓VCc=2(nVs-Vo)時，Dh導通，簡化電路如圖7所示。由于Cc遠遠大于C1+C3，則Cc保持兩端電壓不變，使整流橋輸出電壓比原邊電壓下降得慢，導致電壓差作用于Llk，使原邊電流Ip開始下降，等效電路如圖8所示.

2.5 模式5

C3被放電到O，D3導通，簡化電路如圖9此時開通S3，由于D3的存在，S3為零電壓開通。原邊電壓Vab=O。等效電路如圖10所示。

此模態結束時，原邊電流降為0，整流側電壓為Vβ。

2.6 模式6

原邊電流復位到零，簡化電路如圖11所示。Cc提供負載電流，二次側整流橋輸出電壓迅速下降，等效電路如圖12所示。

此時

2.7 模式7

Cc被放電到零，整流二極管D1～D4全部導通，負載電流通過整流二極管續流，簡化電路如圖13所示。在續流期間可以關段S2，此時S2為零電流關斷。

2.8 模式8

開通S4，簡化電路如圖14所示。此時為零電流開通，由于漏感Llk的存在，原邊電流不能突變，Ip線形增加，

在此時間內，整流電壓仍然為0。

3、仿真和實驗結果與結論

本文采用電力電子專用的saber仿真軟件建立模型并仿真，仿真參數如下：

仿真波形為如圖15所示。

實驗系統中380 V三相交流經整流供給直流電壓，充電機，純電阻負載，示波器構成。變壓器原邊電壓、原邊電流、副邊整流輸出電壓的測試波形如圖16和圖17所示。

圖16為在輸入電壓508V時，原邊電流Ip和原邊電壓Uba(-Uab)的波形。

圖17為輸入電壓508V時，原邊電流Ip和變壓器副邊整流橋輸出電壓Vrec波形。所研制的電動汽車充電機采用全橋變換器，通過變壓器副邊加箝位電容和續流二極管復位主電流，使主電路的功率開關器件工作在零電壓和零電流狀態下。減低了開關損耗，實現了電源的軟開關。