PWM整流器在电动汽车充电机上的应用

1 引言

电动汽车（ev）是由电机驱动前进的［1］，而电机的动力则是来自可循环充电的电池［2］，并且电动汽车对电池的工作特性的要求远超过了传统的电池系统。随着电池技术的提高，因为电动汽车电池系统中的高电压和大电流的以及复杂的充电算法，所以对电池的充电变得越来越复杂［3］，这样会对现有的电网造成很大的干扰。因此，需要高效而且失真度低的充电机［4］。

从传统上来讲，充电器可以被分为两个大类：线性电源和开关电源［5］ ［6］［7］。线性电源主要有三方面的优势：设计简单，在输出端没有电气噪声而且成本比较低。但是线性电源的充电电路效率低对充电器来说是一个很严重的缺点。使用开关电源可以解决这些问题，开关电源的效率高，体积小而且成本也低。传统的开关电源式充电机采用不可控或者半控器件如晶闸管进行整流，虽然能够得到较为平滑的直流电压，但是同时也给电网注入了大量的无功功率和谐波电流，给电网造成很大的污染［8］。随着电力电子技术的发展，三相电压型pwm整流器（vsr）因其具有功率因数可控、网侧电流趋近于正弦、直流侧电压稳定等优点，应用在汽车充电器中，可以解决功率因数低、谐波电流大等问题［9］。

但是pwm整流器的开关元件在电压和电流全不为零的时候动作会消耗能量［10］，而且随着开关频率增加，在开关器件上的损耗会变得越来越大［11］。使用谐振型零电压软开关可以解决这些问题，而且具有很多的优点：功率开关的软切换，在开关过程中的损耗将会很小，反过来会增加充电的效率而且可以增加运行的频率［12］。这样充电机的体积和重量也会得到减小［13］。另外一个好处是，在使用谐振［型软开关后，整流器中电压电流中的谐波含量会得到降低［14］。因此，当谐振型的整流器和传统整流器工作在相同的功率等级和开关频率时，谐振型的整流器造成的emi问题会小很多［15］。使用谐振型的整流［器去提高充电［16］机的功率等级、充电效率、可靠性和其他的工作特性［17］。

三相谐振型逆变器广泛的应用在电机调速控制等领域［20］，本文以三相逆变器为原型，设计了三相pwm整流器。并且根据谐振型整流器的特点，对控制方法进行了改进，使其能够达到最低的失真度（df）和最小的总谐波失真（thd）。将它运用在电动汽车充电机上，能够减小充电站的功率因数校正环节的压力，而且由于采用了软开关技术，不会由于增加了可控开关管，而导致充电效率降低，为充电机的大规模并入电网提供了必要条件。

2 充电机的总体拓扑结构

图1从原理上描述了充电机的总体拓扑结构图，图中包括几个主要的部分：

（1）emi滤波器：抑制交流电网中的高频干扰对设备的影响，同时屏蔽电动汽车充电机对交流电网造成的干扰；

（2）三相pwm整流器：三相pwm整流器应用在充电机上能够提高功率因数，而且能够减少对电网的谐波污染；随着功率因数的提高，充电站功率因数校正（pfc）的压力会得到降低。由于其具有功率因数可控的功能，既可以将它应用在充电机上，也可用作整个充电站的功率因数校正（pfc），因此会有广泛的应用前景，本文将主要对他进行设计。

（3）全桥逆变器：将整流得到的直流电压逆变成高频交流方波，用以通过高频变压器，并通过调节占空比改变输出的电压电流的大小；

（4）高频变压器：传输频交流电能，同时能够将负载和前级电路进行隔离；

（5）不可控整流桥：对高频变压器传输的交流方波整流，用于对电池进行充电。

在主电路中受控的主要是三相pwm整流桥和全桥逆变器两个主要环节，但是在提高功率因数和充电效率等方面，需要着重的分析三相pwm整流器的运行机理，所以在下文的讨论中主要关注如何通过改进三相整流器的电路并通过改进控制方式来达到要求。

3 三相pwm整流器电路结构与动作分析

图2为带有软开关的三相pwm整流器的电路结构，电路图的左半部份为三相pwm整流桥，右半部分为零电压开关电路（zvs），并且在开关器件上都并联了缓冲电容。

由于整流器的开关频率远高于电网频率，因此在一个开关周期内可以认为整流器的输入电流和输出电流是恒定的，从而可以用恒流源is和il来表示输入电流和输出电流。因此可以用图3作为图2的等效电路，在图3中sreg、ds、cr1分别代表整流器的功率开关、续流二极管和缓冲电容。由于三相整流桥的上下桥臂功率开关器件总有一方导通，所以cr1=3cs。软开关部分包含了两个开关器件sa1、sa2，两个二极管d1、d2，谐振电感lr和谐振电容cr1、cr2。在软开关的结构中cr1是主谐振电容，cr2是辅助电容用于将谐振电感lr的电流ilr反向。在主谐振电容vcr1为0期间，三相桥的功率开关进行动作，可以实现零电压操作，极大的降低了功耗。