王議鋒，李 微

（天津大學智能電網教育部重點實驗室，天津300072）

一種三相高功率ZCS-Buck型電動汽車車載充電器研究

王議鋒，李 微

（天津大學智能電網教育部重點實驗室，天津300072）

提出了一種基于交錯并聯(lián)技術和 Buck型三相單開關整流電路的零電流軟開關 ZCS（zero-currentswitching）電動汽車車載充電電路。采用多諧振結構保證Buck電路中的IGBT實現(xiàn)ZCS，續(xù)流二極管實現(xiàn)零電壓軟開關ZVS（zero-voltage-switching），滿足車載充電器OBC（onboard charger）大功率、高效率、高功率密度的需求。首先分析了電路的工作原理，重點研究了電池負載情況下的ZCS實現(xiàn)條件；然后根據(jù)理論分析進行了硬件參數(shù)設計；最后，設計試制了一臺8.5 kW樣機進行了實驗研究。利用電阻負載模擬電池特性，通過切換負載阻值模擬了三段式充電過程，結果表明所設計的OBC系統(tǒng)在整個三段式充電過程均能實現(xiàn)ZCS，且能夠實現(xiàn)3個充電階段的自動切換，滿足蓄電池充電需求。

零電流軟開關；交錯并聯(lián)；電動汽車；車載充電器

由于能源危機和環(huán)境問題日益加劇，電動汽車受到越來越廣泛的關注。充電設備是為電動汽車提供能量的關鍵部件，直接影響充電時長和電池使用壽命，是電動汽車發(fā)展面臨的一大挑戰(zhàn)。電動汽車充電裝置按其安裝位置可分為車載和非車載2種。充電樁為典型的非車載充電裝置，充電功率大、充電速度快，但過分依賴于充電樁的地理分布特性，不能滿足電動汽車隨時充電的需求。而車載充電器安裝在電動汽車上，直接連接電網即可進行充電，靈活性高。因此，車載充電器OBC（onboard charger）的研究對于電動汽車的發(fā)展具有重要意義，成為了近年來的研究熱點［1-4］。

OBC對于體積和重量有嚴格的要求，直接導致了目前OBC功率相對較低、充電速度慢。因此，開發(fā)體積小、重量輕、效率高、功率大的OBC是電動汽車發(fā)展的重要需求［5-6］。

OBC按結構可分為2種：單級結構和兩級結構。目前OBC多采用AC/DC和DC/DC級聯(lián)的結構。兩級結構靈活性高、輸入輸出調節(jié)范圍寬，且前級AC/DC一般具有功率因數(shù)校正PFC（power factor correction）功能，保證了交流側電流質量。但是兩級結構不利于提高系統(tǒng)變換效率，器件數(shù)量多，難以滿足車載充電器體積小、重量輕的需求［6］。

單級結構會減少開關器件的數(shù)量，降低電路復雜程度，更有利于實現(xiàn)高轉換效率和高功率密度，因此更適合車載充電器應用。已經有大量的學者提出了具有PFC功能的AC/DC變換電路。其中，高開關頻率的Buck型PFC AC/DC變換結構由于可以減小濾波器的體積和重量，在電動汽車車載充電領域得到了廣泛應用［7-10］。文獻［9］采用3個IGBT與雙向二極管并聯(lián)的結構，文獻［10］采用6個IGBT實現(xiàn)Buck型AC/DC變換［10］，雖然上述兩種拓撲均能提高功率因數(shù)、減小AC側濾波電感，并能得到一個穩(wěn)定的DC側輸出電壓，但是效率和功率密度不能滿足車載充電電路需求。

為了提高變換效率，可以在OBC研究中引入軟開關技術，應用最廣泛的軟開關拓撲有移相零電壓軟開關ZVS（zero-voltage-switching）和LLC諧振。移相ZVS拓撲的軟開關范圍小，對器件的寄生參數(shù)和變壓器漏感過于敏感，系統(tǒng)參數(shù)設計難度大［11-13］。而LLC諧振拓撲電感和變壓器設計要求嚴格，頻率范圍過寬也將增加電磁干擾EMI（electro-magnetic interference）濾波器的設計難度［14-15］。因此這兩種結構均不適于負載變化范圍大的OBC應用。

RobertW.Erickson和YungtaekJang提出了一種零電流軟開關ZCS（zerocurrentswitching）三相AC/DC變換器，可以實現(xiàn)高功率因數(shù)和高質量的輸入電流，通過采用多諧振結構，IGBT可以實現(xiàn)ZCS，續(xù)流二極管可以實現(xiàn)ZVS［16,17］。綜合上述優(yōu)缺點比較，本文以ZCS三相單開關BUCK整流電路為基礎，采用兩通道交錯并聯(lián)結構進行功率的熱分布和紋波補償，減小輸出側濾波電感和電容，實現(xiàn)高功率以及高功率密度［18］。由于電池負載電壓、電流變化范圍大，對于多諧振ZCS的軟開關范圍具有很大影響。本文重點分析了ZCS的實現(xiàn)條件，并進行了諧振原件參數(shù)設計。在分析了拓撲結構和工作原理的基礎上，設計了8.5 kW OBC平臺的硬件參數(shù)，并完成了8.5 kW樣機搭建以及實驗驗證，并進行了電池三段式充電實驗。實驗結果與理論分析一致，最終證明該拓撲結構的正確性和可用性。

1 電路拓撲與工作原理

1.1 電路拓撲

本文提出的交錯并聯(lián)三相單開關Buck型多諧振ZCS OBC如圖1所示。電路由輸入側濾波電感La、Lb、Lc、Las、Lbs、Lcs， 輸入側諧振電容 Cr1、Cr2、Cr3、Crs1、Crs2、Crs3，不可控整流橋 D1-D6,Ds1-Ds6,諧振電感Lr、Lrs，輸出側諧振電容Cd、Cds,續(xù)流二極管Dd、Dds，輸出濾波電感Lf、Lfs和輸出濾波電容Cf組成。交錯并聯(lián)的2個通道結構及控制方法完全一致，因此以下只對單通道的工作原理進行分析。

圖3 交錯并聯(lián)三相ZCS OBC電路Fig.3 Proposed interleaved three-phase ZCS OBC

Cr1～Cr3，Cd和Lr組成一個多諧振結構從而保證IGBT工作在ZCS模式，Dd工作在ZVS模式，由于固定參數(shù)的多諧振電路諧振周期固定，因此采取了導通時間恒定調整開關頻率的脈沖頻率調制PFM（pulse frequency modulation）的控制方法，輸出電壓隨著驅動頻率的增加而升高。

1.2 電路工作模態(tài)分析

在本電路中，交錯并聯(lián)的2個通道采取完全相同的控制方法，驅動信號相位相差π。假設三相輸入平衡且完全對稱，只需分析30°區(qū)間即可。本文選取vA＞0＞vC＞vB的30°區(qū)間。為了簡化分析過程，選取π/2的工作點進行分析。在π/2的工作點，A相輸入電壓vA和A相輸入電流iA都達到了最大值,而且vB=vC=-0.5vA,vA=VPM。同理,iB=iC=-0.5iA,iA=IPM。在該工作點，B相和C相充放電過程完全同步。因此，后續(xù)省略了對Cr3的分析。開關頻率遠遠高于交流輸入頻率，在一個開關周期內，輸入電壓和電流可以假設為一個恒定值。車載充電電路的理論工作波形如圖2所示，各模態(tài)電路如圖3所示。

圖2 電路理論工作波形Fig.2 Ideal waveforms of the OBC

電路參數(shù)定義如下：vCr1～vCr3和 iCr1～iCr3分別表示輸入側諧振電容 Cr1～Cr3的電壓和電流；vCd和 iCd分別表示輸出側諧振電容Cd的電壓和電流；vLr和iLr表示諧振電感 Lr的電壓和電流；vs和 is分別為IGBT的電流和電壓；Iout和Vout分別為系統(tǒng)輸出電流和電壓；單通道輸出電流為0.5 Iout；vA、vB、vC和i-A、iB、iC分別表示三相輸入電壓和電流；VPM和 IPM分別表示輸入相電壓和相電流的峰值。

圖3 各模態(tài)等效電路Fig.3 Equivalent circuits of each interval

模態(tài)I（t0～t3）：D1-D6，S1和Dd關斷，Cr1～Cr3由輸入電流充電。本階段中由Lr提供輸出續(xù)流電流，Cd以iLr的速度放電。當vCd減小到0時Dd導通，本階段結束。

模態(tài)II（t3～t7）：本階段中Dd導通,D1～D6和S1關斷。同樣由Lr提供輸出續(xù)流電流。模態(tài)II和模態(tài)I的區(qū)別在于續(xù)流電流不再通過Cd而是流過Dd。S1導通后本階段結束。

模態(tài)III（t7～t8）：D1，D5，D6，S1和Dd導通，其他開關器件關斷。Cr1～Cr3和Lr發(fā)生諧振，當iLr增加到0后本階段結束。

模態(tài) IV （t8～t10）：D1，D5，D6和 S1導通，D2～D和Dd關斷，Cd，Cr和Lr發(fā)生諧振，Cd由iLr充電。當Cr兩端電壓減小到0后本階段結束。

模態(tài)V（t10～t11）：D1～D6和S1導通，Dd關斷。Lr和Cd發(fā)生諧振，本階段iS1可分為兩部分：一部分由輸入電流提供；超出輸入電流的部分由整流橋二極管續(xù)流，因此本階段D1～D6全部導通。當iS1減小到0.5IPM后本階段結束。一旦iS1＜0.5IPM，則iCr1＞0,輸入側電容將開始充電。

模態(tài)VI（t11～t12）：D1，D5，D6和 S1導通，D2～D4和Dd關斷，Cr、Cd和Lr發(fā)生諧振。當iS1減小到0后本階段結束，在此之后 S1可以實現(xiàn)ZCS。

2軟開關條件分析

在上述模態(tài)分析的基礎上，著重對軟開關實現(xiàn)條件進行了分析。系統(tǒng)不能實現(xiàn)軟開關的情況分為以下兩種：

（1）硬件參數(shù)不滿足ZCS需求；

（2）硬件參數(shù)合理，而驅動信號不匹配。

2.1 硬件參數(shù)不合理

為了實現(xiàn)軟開關，上一工作模態(tài)需為下一模態(tài)提供條件。從圖4中的系統(tǒng)理論工作波形以及上述工作模態(tài)分析，可以推導出軟開關實現(xiàn)的約束條件：

（1）模態(tài)I和模態(tài)II時間要足夠長，Cr1～Cr3才能儲存足夠的能量，從而保證諧振電感電流諧振到正值。即諧振電流增大到零后，Cr1～Cr3還沒有完全放電。

（2）Cr完全放電時，諧振電感電流必須為正。

（3）模態(tài)V和模態(tài)VI，Lr和Cd進行諧振。只有當Cd儲存足夠的能量時，諧振電感的電流才能達到0.5Iout，iS可以達到0，從而實現(xiàn)ZCS。

2.2 驅動信號不匹配

驅動信號不匹配時主要參數(shù)波形如圖4所示。分析可得，只有當硬件參數(shù)與驅動信號匹配的情況下才能實現(xiàn)ZCS。如圖6（a）所示，如果IGBT在iS1減小到0之前關斷，顯然不能實現(xiàn)ZCS。如圖6（b）所示，如果在vS1增加到正值之后，IGBT上仍然有開通信號，則S1將會重新導通，從而不能實現(xiàn)ZCS。

圖4 驅動信號不匹配情況下主要參數(shù)理論波形Fig.4 Theoretical waveforms with mismatch driving signal

2.3 硬件參數(shù)設計

考慮到在充電過程中負載電壓和電流均會發(fā)生變化，選取了一組在全負載變化范圍內均能實現(xiàn)軟開關的硬件參數(shù)，如表1所示。

3 三段式充電控制策略

為了延長蓄電池使用壽命，采用如圖5所示的三段式充電控制方法，3個階段分別為：恒流充電階段、恒壓充電階段和浮充階段。恒流階段采用50 A電流充電，當電池電壓升高到400 V后，恒流階段結束。恒壓階段采用400 V的電壓充電，當充電電流減小到5 A后，恒壓階段結束。浮充階段采用350 V定電壓充電，充電電流逐漸減小。受限于實驗室條件，采用電阻負載代替電池負載，并通過調節(jié)負載阻值模擬電池特性。三段式充電電壓、電流以及負載阻止變化參數(shù)如表2所示。車載充電流程如圖5所示。

表1 樣機器件參數(shù)Tab.1 Main components of the prototype

表2 三段式充電參數(shù)Tab.2 Three-stage charging parameters

圖5 車載充電程序流程Fig.5 Flow chart of the OBC charging process

4 實驗驗證

為了驗證理論分析的準確性，建立了兩通道交錯并聯(lián)的車載OBC實驗平臺進行了實驗驗證，并模擬了電池三段式充電實驗過程。

4.1 最大功率輸出實驗

實驗最大輸出功率為8.5 kW，實驗參數(shù)為：輸入線電壓230 V，直流輸出200 V，負載6 Ω，驅動頻率30 kHz，導通時間15 μs。實驗波形如圖6所示。圖6（a）為輸入側AB相線電壓與A相電流；圖6（b）為IGBT端電壓、IGBT電流、單通道諧振電感電流和兩通道總輸出電流，由該組實驗波形可得，實驗波形與理論波形完全一致，IGBT能夠實驗ZCS；輸入電流THD為4.3%，功率因數(shù)為0.98，變換效率為93.7%。

圖6 8.5 kW實驗波形Fig.6 Experimental results under 8.5 kW

4.2 三段式充電實驗

受實驗條件限制，采用多個功率電阻模擬電池負載，并通過切換負載阻值的方法模擬三段式充電及階段變換的過程。由于實驗中采用空氣開關切換負載阻值，為了確保實驗安全只模擬了小功率的三段式充電過程。三段式充電模擬實驗各階段參數(shù)設置如表3所示。

表3 三段式充電模擬實驗參數(shù)Tab.3 Three-stage charging simulating experiment parameter setting

4.2.1 恒流充電階段

恒流階段以及恒流恒壓階段切換實驗波形如圖7所示。圖7（a）為輸入90 V線電壓，負載9 Ω，輸出電流10 A情況下的IGBT端電壓、電流和輸出電流波形，此時驅動頻率為29 kHz。通過實驗波形可知，在恒流充電階段IGBT能夠實現(xiàn)ZCS。圖7（b）為將負載阻值從9 Ω切換到15 Ω，實驗結果表明系統(tǒng)能夠自動從恒流充電階段切換到恒壓充電階段，輸出電流在2.5 ms內由10 A減小到8 A，并且切換過程中沒有出現(xiàn)過沖。

圖7 恒流階段及恒流恒壓階段切換實驗波形Fig.7 Experimental results under constant current charging mode and transition from constant current stage to constant voltage stage

4.2.2 恒壓充電階段

恒壓充電階段實驗波形如圖8所示。圖8（a）為輸入110 V線電壓，負載15 Ω，輸出電壓120 V情況下的IGBT端電壓、電流和輸出電流波形，此時驅動頻率為25 kHz。通過實驗波形可知，在恒壓充電階段IGBT能夠實現(xiàn)ZCS。圖8（b）為將負載阻值從15 Ω切換到40 Ω的實驗波形，結果表明系統(tǒng)能夠自動從恒壓充電階段切換到浮充充電階段，輸出電流在3.2 ms內由8 A減小到2.5 A，并且切換過程中沒有出現(xiàn)過沖。

圖8 恒壓階段及恒壓浮充階段切換實驗波形Fig.8 Experimental results under constant voltage charging and transition from constant voltage stage to float charging stage

4.2.3 浮充充電階段

圖9為輸入120 V線電壓、負載40 Ω、輸出電壓100 V情況下的IGBT端電壓、電流和輸出電流波形，此時驅動頻率為25 kHz。通過實驗波形可知，在浮充充電階段IGBT能夠實現(xiàn)ZCS。

4.3 效率、PF和THD統(tǒng)計

通過實驗可以測出實驗平臺的效率、畸變率THD（total harmonic distortion）和功率因數(shù)PF（power factor）曲線，分別如圖10所示。分析可得，隨著功率增加系統(tǒng)轉換效率維持在93.5%～94.0%區(qū)間內。在本文所達到的最高8.5 kW輸出功率的情況下輸入電流THD為4.3%，PF為0.98。

圖11 浮充階段實驗波形Fig.11 Experimental results under float charging

圖10 效率曲線、THD和PF曲線Fig.10 Curves of measured efficiency,THD and PF

5 結語

本文提出了一種交錯并聯(lián)三相ZCS OBC電路，滿足OBC高效率高功率密度的需求。首先著重分析了電池負載輸出電壓、電流大范圍波動情況下的ZCS實現(xiàn)條件。最后建立了8.5 kW的實驗平臺，并進行了實驗，結果與理論分析一致，測得效率為93.5%，功率因數(shù)0.98，THD為4.3%。利用電阻負載模擬電池阻抗進行了三段式充電測試，整個充電過程均能實現(xiàn)ZCS，并且系統(tǒng)能夠實現(xiàn)三階段的自動切換且切換過程無過沖，證明該電路電動汽車OBC應用。

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Three-phase High-power and Zero-current-switching OBC for Plug-in Electric Vehicles

WANG Yifeng,LI Wei
（Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education,Tianjin University,Tianjin 300072,China）

In this paper,an interleaved high-power zero-current-switching（ZCS）onboard charger（OBC）based on the three-phase single-switch buck rectifier is proposed for application to plug-in electric vehicles（EVs）.The multi-resonant structure is used to achieve ZCS of IGBTs and zero-voltage-switching（ZVS）of the fly-wheel diodes,which can meet the high power,high efficiency and high power density requirements of OBC.This paper analyzed the operating stages.This study mainly focused on the border conditions of ZCS converting with a battery load.Based on the theoretical analysis,a set of circuit parameters are selected.Furthermore,an 8.5 kW prototype is established,three-stage charging process is carried out by using the equivalent resistive load to simulate the battery load characteristics,stage transition is realized by adjusting the load resistance.The experimental results show that the proposed OBC can automatically accomplish the charging stage transition without current and voltage overshoot.

zero-current-switching（ZCS）;interleaved parallel;electric vehicle;onboard charger

王議鋒

10.13234/j.issn.2095-2805．2017．2.085

TM 315

A

王議鋒（1981-），男，博士，講師，研究方向：先進電力電子技術在電網中的應用，E-mail：wayif@tju.edu.cn。

2016-11-08

李微（1990-），女，通信作者，博士研究生，研究方向：電動汽車充電軟開關變換器以及直流微網儲能變換器，E-mail：

liweitju@tju.edu.cn。