于 亮

（1.中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海200050；2.上海科技大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海201210；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)北京100049）

隨著能源問(wèn)題以及環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重，以電能為主要?jiǎng)恿?lái)源的電動(dòng)汽車得到了廣泛關(guān)注。電動(dòng)汽車通過(guò)電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能[1]。因此儲(chǔ)能系統(tǒng)及動(dòng)力系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的重要環(huán)節(jié)。目前常見電動(dòng)汽車電池的充電器有兩種：非車載充電器和車載充電器。非車載充電器功率等級(jí)高，適合于快速充電。其缺點(diǎn)是必須在固定的地點(diǎn)充電，因此不方便。車載充電器功率等級(jí)較低，適用于慢速充電。車載充電器的優(yōu)點(diǎn)在于方便，在任何有電網(wǎng)的地點(diǎn)都可使用。其缺點(diǎn)在于增加了汽車的體積和重量。因此，小體積，輕質(zhì)量的車載充電器是電動(dòng)汽車的必然選擇[2]。

集成車載充電器是利用電動(dòng)汽車的牽引系統(tǒng)作為充電系統(tǒng)的一部分，從而實(shí)現(xiàn)充電器的小體積、重量輕的特點(diǎn)[3]。同時(shí)，由于減少使用了器件，成本也會(huì)隨著降低。集成車載充電器的設(shè)計(jì)也得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。集成車載充電器通常是利用電機(jī)的繞組作為電感，同時(shí)復(fù)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的半導(dǎo)體器件來(lái)實(shí)現(xiàn)將交流電轉(zhuǎn)化為直流電供給電池充電的功能[4-6]。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中半導(dǎo)體器的復(fù)用率高及電機(jī)繞組不需重新安排會(huì)提高集成車載充電器的可行性[7-9]。文中提出并驗(yàn)證了一個(gè)新型的高性能的車載集成充電器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該電路能夠?qū)崿F(xiàn)功率因數(shù)校正及調(diào)節(jié)輸出電壓的功能。

1 車載集成充電器電路拓?fù)?/h2>

1.1 傳統(tǒng)車載充電器

傳統(tǒng)的車載充電器及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖如圖1所示[10]。充電時(shí)，首先電網(wǎng)電壓通過(guò)PFC電路，將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，然后再經(jīng)過(guò)DC/DC變換器供給電池包充電。對(duì)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，電池電壓經(jīng)過(guò)DC/DC變換器轉(zhuǎn)化為高壓，然后再經(jīng)過(guò)逆變器來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。充電系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完全分離。整個(gè)系統(tǒng)需要的半導(dǎo)體器件及被動(dòng)元件較多，導(dǎo)致這個(gè)系統(tǒng)體積大、質(zhì)量重、花費(fèi)高，不利于電動(dòng)汽車的快速發(fā)展[11-13]。

圖1 傳統(tǒng)的車載充電器及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖

1.2 車載集成充電器

車載集成充電器及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖2所示。充電時(shí)，電網(wǎng)交流電壓通過(guò)整流橋變?yōu)橹绷麟妷?。然后通過(guò)復(fù)用電機(jī)繞組及逆變器實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正功能。最后通過(guò)DC/DC變換器將電壓調(diào)整到充電電壓供給電池使用。驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)充電過(guò)程將不會(huì)發(fā)生。因此，這種復(fù)用機(jī)制不會(huì)影響到電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)復(fù)用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原件，充電過(guò)程將不再需要額外的器件搭建PFC變換器和DC/DC變換器，從而，減少了半導(dǎo)體器件及被動(dòng)元件的使用，能夠減小系統(tǒng)的體積，重量及花銷。

圖2 車載集成充電器及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖

1.3 新型的車載集成圖騰柱PFC變換器

圖3（a）展示了電路處于驅(qū)動(dòng)工作狀態(tài)下的電路圖。在驅(qū)動(dòng)模態(tài)，通過(guò)電機(jī)及逆變器的工作實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的拖動(dòng)功能。圖3（b）展示了電路處于充電工作狀態(tài)下的電路圖。此時(shí)，電機(jī)將不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)的3個(gè)繞組及逆變器的兩個(gè)橋臂都被復(fù)用到充電系統(tǒng)中。只需額外添加一個(gè)二極管半橋就可實(shí)現(xiàn)充電器的功能。該電路結(jié)構(gòu)與帶有交錯(cuò)并聯(lián)的圖騰柱PFC電路相似，因此稱之為車載集成圖騰柱PFC變換器。傳統(tǒng)的圖騰柱PFC電路具有器件少，功率密度高，效率高的優(yōu)點(diǎn)[14-16]。但傳統(tǒng)的圖騰柱PFC存在作為同步整流功能的MOSFET的體二極管的反向恢復(fù)問(wèn)題[17]。為了解決這個(gè)問(wèn)題，該文用新型SiC MOSFET。SiC器件能夠有效的降低體二極管方向恢復(fù)電流。從而減小反向恢復(fù)損耗。同時(shí)，SiC MOSFET具有開關(guān)速度快，導(dǎo)通電阻小的優(yōu)點(diǎn)[18]。因此，SiC器件的使用會(huì)提高充電系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能。

新型集成充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3（b）所示。

圖3 工作模態(tài)

由于電路結(jié)構(gòu)非常對(duì)稱，輸入電壓為正值或是負(fù)值電路的工作模態(tài)基本相似。該電路的控制信號(hào)也非常簡(jiǎn)單。每個(gè)半橋的兩個(gè)開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，同時(shí)帶有很小的死區(qū)時(shí)間來(lái)防止整個(gè)橋臂的潰通。文中只對(duì)輸入電壓為正半周期時(shí)進(jìn)行模態(tài)分析，輸入電壓為負(fù)半周期時(shí)只需調(diào)換開關(guān)器件的序號(hào)即可。當(dāng)輸入電壓為正時(shí)，該電路有4種工作模態(tài)如圖4所示。當(dāng)脈寬調(diào)制信號(hào)（PWM）的占空比小于0.5時(shí)，電路工作的模態(tài)順序?yàn)椋╝）-（c）-（b）-（c）-（a）。當(dāng)PWM的占空比大于0.5時(shí)，電路工作模態(tài)順序?yàn)椋╝）-（d）-（b）-（d）-（a）。每個(gè)模態(tài)的詳細(xì)介紹如下：

模態(tài)（a）:S3和S6導(dǎo)通，S4和S5關(guān)斷。此時(shí)ib線性增大，繞組Lb存儲(chǔ)的能量將會(huì)增加。ic線性減小，繞組Lc存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)移到輸出端。

模態(tài)（b）:S4和S5導(dǎo)通，S3和S6關(guān)斷。此時(shí)電網(wǎng)將能量?jī)?chǔ)存到繞組Lc中，ic線性增大。繞組Lb向輸出端提供能量，ib線性減小。

模態(tài)（c）:此模態(tài)只存在于PWM的占空比小于0.5時(shí)。該模態(tài)處于（I）和（II）之間。S4和S6同時(shí)導(dǎo)通，S3和S5處于關(guān)斷狀態(tài)。此時(shí)ic和ib都線性減小。

模態(tài)（d）:此模態(tài)只存在于PWM的占空比大于0.5時(shí)。該模態(tài)處于（I）和（II）之間。S3和S5同時(shí)導(dǎo)通，S4和S6處于關(guān)斷狀態(tài)。此時(shí)ic和ib都線性增大。

該電路為交錯(cuò)并聯(lián)的圖騰柱結(jié)構(gòu)，能夠有效降低輸入電流的紋波和總諧波失真（THD）。因此，該電路能夠?qū)崿F(xiàn)高功率矯正功能。

圖4 電路工作模態(tài)

2 仿真分析

為了驗(yàn)證方案的可行性，特利用MATLAT Simulink搭建了仿真電路，并進(jìn)行了輸入電流和輸出電壓雙閉環(huán)仿真分析。閉環(huán)控制框圖如圖5所示。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為電壓環(huán)。一個(gè)PLL模塊被使用去產(chǎn)生輸入電壓參考信號(hào)。兩個(gè)簡(jiǎn)單的PI控制器被使用來(lái)實(shí)現(xiàn)好的動(dòng)態(tài)性能。部分參數(shù)如下：輸入交流有效值vin=220 V，輸出電壓為Vo=450 V，開關(guān)頻率為f=50 kHz，輸出電容C=1 000 μF，電阻負(fù)載R=200 Ω，輸出功率Po=1 kW。仿真測(cè)得功率因數(shù)PF=0.98，THD=0.3。仿真波形如圖6所示。從圖中可以看出，輸入電壓與輸入電流同相位。輸入電流波形非常平滑，說(shuō)明該電路具有很好的功率因數(shù)校正功能。同時(shí)，由于電壓環(huán)的作用，該電路具有一定的調(diào)節(jié)輸出電壓能力。因此，該電路非常適用于電池充電系統(tǒng)。

圖5 閉環(huán)控制框圖

圖6 仿真波形

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證電路的性能，一個(gè)功率等級(jí)縮減的PCB電路板被設(shè)計(jì)并進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示。從圖中可以看出，輸入電流波形很好的跟隨輸入電壓波形，實(shí)驗(yàn)測(cè)得功率因數(shù)為0.98。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖7 實(shí)驗(yàn)測(cè)得輸入電壓和輸入電流波形

4 結(jié)論

文中提出了一個(gè)新型的基于SiC的車載集成充電器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。并對(duì)電路的工作模態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。該電路對(duì)電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)復(fù)用程度高，只需額外添加一個(gè)二極管半橋即可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)矯正功能。最后通過(guò)MATLAB仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該電路的可行性。該新型電路圖譜結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)很好的功率因數(shù)矯正功能。