电动车锂电池充电器拓扑结构
时间：10-02
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电动车锂电池变换器拓扑结构：
从目前的18650锂电池角度来分析。正常充电模式的充电过程一般在家庭和公共场所进行，正常充电模式的充电功率等级通常为6.6kW，典型的充电时间为5～8小时。正常充电模式和应急充电模式中的充电功率变换器相类似，正常充电模式也可采用单级AC/DC变换器。但由于带PFC功能的单级变换器，开关管的峰值电流很大。在两级变换器中，PFC级可采用传统的Boost升压型电路，开关管采用软开关或硬开关均可。但为了提高效率，应选择软开关Boost变换器。
传统的AC/DC全波整流电路采用的是整流+电容滤波电路。这种电路是一种非线性器件和储能元件的组合，输入交流电压的波形是正弦的，但输入电流的波形发生了严重的畸变，呈脉冲状。由此产生的谐波电流对电网有危害作用，使电源输入功率因数下降。在本设计中整流电路部分采用有源功率因数校正电路。
与典型PFC主电路不同的是此电路选用了无损吸收缓冲网络。该网络降低了开关管的开关损耗，提高了其稳定性，延长了其使用寿命。它利用一组无源元件，使开关管实现了零电流开通和零电压关断，提高了电源的工作效率，且相对于其他谐振软开关电路来说降低了生产成本。
1.单相三电平PFC电路
正如传统的两电平逆变桥臂可以很容易地拆分得到Buck和Boost电路，采用类似的方法，也可以将图10-15（a）所示的二极管钳位型三电平逆变器桥臂，经过适当地改进，拆分为具有实用价值的三电平Buck电路和Boost电路。
Boost电路因其输入电流连续、拓扑结构简单、效率高等特点，常被作为单相PFC电路拓扑的首选，但由于Boost电路的升压特性，在220V交流输入的情况下输出电压通常控制在400V左右。在升压比例不变的情况下，若输入电压进一步升高，相应的输出电压也会随之上升；或者在输入电压不变的情况下，希望有高的输出电压。这都意味着Boost电路中的功率器件需要承受400V以上的电压应力。这样，一方面增加了器件的开关损耗和通态损耗；另一方面，当电压升高到一定程度时，给器件的选择带来了困难，这在希望高压、高频运行的单相PFC电路中成了一个很难解决的矛盾。因此，单相三电平Boost电路为解决这一矛盾提供了一个很好的途径。三电平控制具有以下特点：
① 采用三电平拓扑能有效地解决电力电子器件耐压不高的问题，由于每一个开关器件承受的关断电压仅为直流侧电压的一半，因此它适用于高电压、大功率场合。
② 三电平拓扑中单个桥能输出三种电平，线电压有更多的阶梯来模拟正弦波，使得输出波形失真度减小，因此谐波大为减少。
③ 多级电压阶梯波减小了，使对负载的绝缘冲击减小。
④ 三电平PWM方法把第一组谐波分布带移至2倍开关频率的频带区，利用负载的电感能较好地抑制高次谐波的影响。
⑤ 三电平拓扑能产生3×3×3（即27）种空间电压矢量，较二电平大大增加。矢量的增多带来了谐波消除算法的自由度，可得到很好的输出波形。
2.单相三电平无源无损软开关PFC电路
尽管采用三电平PFC拓扑结构，在相同输出电压条件下，开关管的电压应力减小一半，从而使相应的通态损耗和开关损耗有所减小，但当开关频率较高时，这些损耗依然可观，因此，使用软开关技术来进一步提高效率仍然是必要和有意义的。软开关技术从广义上可分为有源软开关技术和无源软开关技术两大类。
那么，对于一般的锂电池生产厂家来讲。有源缓冲电路、RCD缓冲电路、谐振变换器、无源无损缓冲电路是常用的软开关技术。其中，有源缓冲电路通过增添辅助开关以减少开关损耗，但这也增加了主电路和控制电路的复杂程度，从而降低了性价比，也降低了可靠性。RCD缓冲电路虽然结构最简单，价格最便宜，但由于电阻消耗了能量，效率较低，在各种软开关技术中性能最差，而谐振变换器虽然实现了ZVS或ZCS，减少了开关损耗，但谐振能量必须足够大才能创造ZVS或ZCS条件，而且谐振电路中循环电流较大，还必须在特定的软开关控制器的控制信号下工作，增加了通态损耗，增加了成本，降低了可靠性。与这三种方法不同，无源无损缓冲电路既不使用有源器件，也不使用耗能元件，因而兼具以上三种方法的优点。其结构与RCD缓冲电路一样简单，效率与有源缓冲电路、谐振变换器一样高，电磁干扰小，造价低，性能好，可靠性高，因而获得了广泛的应用。
从目前的18650锂电池角度来分析。正常充电模式的充电过程一般在家庭和公共场所进行，正常充电模式的充电功率等级通常为6.6kW，典型的充电时间为5～8小时。正常充电模式和应急充电模式中的充电功率变换器相类似，正常充电模式也可采用单级AC/DC变换器。但由于带PFC功能的单级变换器，开关管的峰值电流很大。在两级变换器中，PFC级可采用传统的Boost升压型电路，开关管采用软开关或硬开关均可。但为了提高效率，应选择软开关Boost变换器。
传统的AC/DC全波整流电路采用的是整流+电容滤波电路。这种电路是一种非线性器件和储能元件的组合，输入交流电压的波形是正弦的，但输入电流的波形发生了严重的畸变，呈脉冲状。由此产生的谐波电流对电网有危害作用，使电源输入功率因数下降。在本设计中整流电路部分采用有源功率因数校正电路。
与典型PFC主电路不同的是此电路选用了无损吸收缓冲网络。该网络降低了开关管的开关损耗，提高了其稳定性，延长了其使用寿命。它利用一组无源元件，使开关管实现了零电流开通和零电压关断，提高了电源的工作效率，且相对于其他谐振软开关电路来说降低了生产成本。
1.单相三电平PFC电路
正如传统的两电平逆变桥臂可以很容易地拆分得到Buck和Boost电路，采用类似的方法，也可以将图10-15（a）所示的二极管钳位型三电平逆变器桥臂，经过适当地改进，拆分为具有实用价值的三电平Buck电路和Boost电路。
Boost电路因其输入电流连续、拓扑结构简单、效率高等特点，常被作为单相PFC电路拓扑的首选，但由于Boost电路的升压特性，在220V交流输入的情况下输出电压通常控制在400V左右。在升压比例不变的情况下，若输入电压进一步升高，相应的输出电压也会随之上升；或者在输入电压不变的情况下，希望有高的输出电压。这都意味着Boost电路中的功率器件需要承受400V以上的电压应力。这样，一方面增加了器件的开关损耗和通态损耗；另一方面，当电压升高到一定程度时，给器件的选择带来了困难，这在希望高压、高频运行的单相PFC电路中成了一个很难解决的矛盾。因此，单相三电平Boost电路为解决这一矛盾提供了一个很好的途径。三电平控制具有以下特点：
① 采用三电平拓扑能有效地解决电力电子器件耐压不高的问题，由于每一个开关器件承受的关断电压仅为直流侧电压的一半，因此它适用于高电压、大功率场合。
② 三电平拓扑中单个桥能输出三种电平，线电压有更多的阶梯来模拟正弦波，使得输出波形失真度减小，因此谐波大为减少。
③ 多级电压阶梯波减小了，使对负载的绝缘冲击减小。
④ 三电平PWM方法把第一组谐波分布带移至2倍开关频率的频带区，利用负载的电感能较好地抑制高次谐波的影响。
⑤ 三电平拓扑能产生3×3×3（即27）种空间电压矢量，较二电平大大增加。矢量的增多带来了谐波消除算法的自由度，可得到很好的输出波形。
2.单相三电平无源无损软开关PFC电路
尽管采用三电平PFC拓扑结构，在相同输出电压条件下，开关管的电压应力减小一半，从而使相应的通态损耗和开关损耗有所减小，但当开关频率较高时，这些损耗依然可观，因此，使用软开关技术来进一步提高效率仍然是必要和有意义的。软开关技术从广义上可分为有源软开关技术和无源软开关技术两大类。
那么，对于一般的锂电池生产厂家来讲。有源缓冲电路、RCD缓冲电路、谐振变换器、无源无损缓冲电路是常用的软开关技术。其中，有源缓冲电路通过增添辅助开关以减少开关损耗，但这也增加了主电路和控制电路的复杂程度，从而降低了性价比，也降低了可靠性。RCD缓冲电路虽然结构最简单，价格最便宜，但由于电阻消耗了能量，效率较低，在各种软开关技术中性能最差，而谐振变换器虽然实现了ZVS或ZCS，减少了开关损耗，但谐振能量必须足够大才能创造ZVS或ZCS条件，而且谐振电路中循环电流较大，还必须在特定的软开关控制器的控制信号下工作，增加了通态损耗，增加了成本，降低了可靠性。与这三种方法不同，无源无损缓冲电路既不使用有源器件，也不使用耗能元件，因而兼具以上三种方法的优点。其结构与RCD缓冲电路一样简单，效率与有源缓冲电路、谐振变换器一样高，电磁干扰小，造价低，性能好，可靠性高，因而获得了广泛的应用。
拓扑结构呢