大功率电动汽车充电机的设计

系统结构

大功率电动汽车充电机的输入为额定线电压380V、50Hz的三相交流电，输出额定电压700V，额定电流600A。系统采用19"标准机架，结构紧凑、布局合理、外型美观大方。外型尺寸：高×宽×深为2200mm×600mm×600mm。采用60个模块并联，每个模块10A/700V，模块尺寸：高×宽×深为133mm×425mm×270mm，15层4列，分四个柜体安放，四个柜体可分开运输，使用时紧凑左右排列。机架前门、后门均为双开门，方便检修。电源进线和汇流排输出位置均在底部输入。电源输入断路器及监控单元触摸屏安装在主机中间控制柜前部。充电机控制结构示意图如图2所示。



图2 充电机控制结构示意图

开关电源主回路设计

电动汽车充电机采用的大功率高频开关电源的原理框图如图3所示，由三相桥式不可控整流电路对三相交流输入进行滤波整流，功率因数校正预稳压800V后经高频DC/DC半桥功率变换器，滤波输出直流700V为动力蓄电池充电。经过分析计算，变压器采用双E65磁芯，初级线圈12匝，则根据输出电压最高700V、输入电压最低780V、最大占空比0.95可求得次级绕组圈数N2，N2=(12/780)×(700/0.95)=11.33，考虑漏感、次级整流压降等因素取N2为12匝。



图3 充电机电源的原理框图

由于电动汽车充电机为非线性负荷，会产生谐波，对电网是一种污染。必须采取有效措施，如功率因数校正或无功补偿等技术，限制电动汽车充电机进入电网的总谐波量。为提高功率因数，降低输入电网谐波，采用有源功率因数校正电路，如图4所示。它采用三相三开关三电平BOOST电路，工作在连续模式，开关采用两个MOSFET组合成的双向开关。图中，开关S1，S2，S3是双向开关。由于电路的对称性，电容中点电位VM与电网中点的电位近似相同，因而通过双向开关S1、S2、S3可分别控制对应相上的电流。开关合上时对应相上的电流幅值增大，开关断开时对应桥臂上的二极管导通(电流为正时，上臂二极管导通；电流为负时，下臂二极管导通)。在输出电压的作用下Boost电感上的电流减小，从而实现对电流的控制。其控制电路采用三个控制芯片UC3854A，相电压通过三相隔离变压器向UC3854A提供同步信号和预校正信号，电流反馈采用霍尔电流互感器，分别控制三个开关，形成三个电流反馈内环和一个电压反馈外环的多闭环系统。该电路的优点在于结构简单，每相仅需一个功率开关。具有三电平特性谐波电流小，开关管电压电流应力小。不需要中线，无三次谐波，满载时功率因数很高。开关应力小，关断压降低，开关损耗低，共模EMI低。



图4 三相三开关三电平APFC电路拓扑图

DC/DC功率变换器采用半桥电路拓扑，功率器件少，控制简单，可靠性高。如图5所示，采用MOSFET和IGBT并联技术，充分利用了MOSFET开关速度快和IGBT导通压降低的优点。在电路上采取措施，使得MOSFET的关断时间比IGBT延迟一定的时间，大大减小了IGBT的电流拖尾，降低了开关通态损耗，提高了效率和可靠性，使得半桥电路的输出功率可以实现7kW。其输出侧采用的整流方式有半波整流，中心抽头全波整流及全桥整流。由于输出电压较高，全桥整流对变压器利用率高，比较适合用于这种场合。



图5 MOSFET/IGBT并联组合开关电路



图6 PWM强迫均流法工作框图

系统采用PWM强迫均流法，工作框图如图6所示。这是一种系统电压控制和强迫均流相结合的改进方法，其工作原理是将系统母线电压Us和系统的基准电压Ur相比较产生误差电压Ue，用该误差电压控制PWM调制器，得到的PWM信号去控制每一模块的电流。每个模块的电流要求信号都是相同的，PWM信号通过光耦与模块的输出电流进行比较，调节模块参考电压，从而改变输出电压，调节输出电流，实现均流。这样，每个模块都相当于电压控制的电流源。这种均流方式精度高，动态响应好，可控制模块多，可以很方便地组成冗余系统。强迫均流依赖于某一模块，如果该模块失效，则无法均流，所以必须设计模块故障退出功能。在强迫均流中，系统模块数可达100个，即使模块电压相差较大，参数设置好后不需任何调整，均流精度优于1％,负载响应快，无振荡现象，满足应用需要。