電動(dòng)汽車車載充電器PFC AC/DC變換器設(shè)計(jì)

王源卿，李紅梅

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥230009)

電動(dòng)汽車車載充電器PFC AC/DC變換器設(shè)計(jì)

王源卿，李紅梅

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥230009)

為了減少電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)充電時(shí)對電網(wǎng)的諧波污染，同時(shí)提高電力利用率，必須進(jìn)行功率因數(shù)（PFC）校正。PFC AC/DC作為車載充電器的核心部分之一，可為后級DC/DC系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電壓。針對功率等級為2 kW的車載充電器，采用升壓（Boost）PFC主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基于平均電流控制的AC/DC變換器設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了具有PFC的AC/DC變換器，詳細(xì)給出了其主電路和控制電路的設(shè)計(jì)流程，包括器件選型、控制策略選擇、主電路及控制電路的參數(shù)配置。最后通過系統(tǒng)仿真及樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測試，驗(yàn)證了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)及靜態(tài)性能。

電動(dòng)汽車；車載充電器；AC/DC變換器；Boost PFC；平均電流控制

0　引言

隨著能源危機(jī)、資源枯竭以及大氣污染等危害的加劇，我國已將新能源汽車確立為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，車載充電器作為電動(dòng)汽車的重要組成部分，其研究兼具理論研究價(jià)值和重要的工程應(yīng)用價(jià)值[1-2]。采用前級 AC/DC和后級DC/DC相結(jié)合的車載充電器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　電動(dòng)汽車車載充電器結(jié)構(gòu)框圖

當(dāng)車載充電器接入電網(wǎng)時(shí)，會產(chǎn)生一定的諧波，污染電網(wǎng)，同時(shí)影響用電設(shè)備的工作穩(wěn)定性。為了限制諧波量，國際電工委員會制定了用電設(shè)備諧波限制標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-3-2，我國也發(fā)布了國標(biāo) GB/T17625[3-4]。為了符合上述標(biāo)準(zhǔn)，車載充電器必須進(jìn)行功率因數(shù)校正(PFC)。PFC AC/DC變換器一方面為后級 DC/DC系統(tǒng)供電，另一方面為輔助電源供電，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響車載充電器性能。

鑒于純電動(dòng)汽車車載充電器對體積、諧波有著苛刻的要求，本設(shè)計(jì)采用有源功率因數(shù)校正(APFC)技術(shù)[5-6]。APFC有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于升壓式拓?fù)渚哂序?qū)動(dòng)電路簡單、PF值高和具有專門控制芯片[7]的優(yōu)點(diǎn)，選取 Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主電路?？紤]各種基本控制方式，選取了具有諧波失真小、對噪聲不敏感和開關(guān)頻率固定技術(shù)優(yōu)勢的平均電流控制方式。

本文針對功率為2 kW的純電動(dòng)汽車車載充電器，考慮諧波含量、體積及抗干擾性能等方面的設(shè)計(jì)需求，重點(diǎn)研究PFC AC/DC變換器，包含系統(tǒng)主電路和控制電路設(shè)計(jì)，并在上述研究的基礎(chǔ)上，開展系統(tǒng)仿真和實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證研究，電路圖見圖2。

圖2　Boost PFC AC/DC變換器電路原理圖

1　Boost PFC AC/DC變換器

本文針對功率為2 kW的車載充電器PFC AC/DC變換器，采用基于 Boost拓?fù)涞闹麟娐方Y(jié)構(gòu)，以及連續(xù)模式下的平均電流控制控制策略。主電路由整流電路和Boost升壓電路構(gòu)成；控制電路采用電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，原理框圖見圖3。

圖3　主電路和控制電路原理框圖

2　PFC AC/DC變換器主電路設(shè)計(jì)

PFC AC/DC變換器主電路由輸出濾波電容、開關(guān)器件、升壓電感等器件構(gòu)成，其參數(shù)設(shè)計(jì)如下。

2.1輸出濾波電容

輸出濾波電容可濾除由開關(guān)動(dòng)作造成的輸出電壓紋波，同時(shí)能夠維持輸出電壓在一定范圍內(nèi)，選取的器件需較好地實(shí)現(xiàn)以上兩個(gè)功能。

2.1.1考慮輸出紋波電壓

式中：Co為輸出濾波電容，Pout為主電路輸出功率，fin為電網(wǎng)輸入電壓頻率，△Vout為主電路輸出紋波電壓峰峰值，Vout為主電路輸出電壓。

2.1.2考慮電壓維持時(shí)間

式中：△t為主電路輸出電壓由 Vout降到 Vout(min)的時(shí)間。

據(jù)計(jì)算結(jié)果，選取 3個(gè) 220 μF/400 V、1個(gè) 330 μF/400 V電解電容并聯(lián)。

2.2開關(guān)器件

功率管開關(guān)器件的選擇主要考慮以下參數(shù)：耐壓值、通態(tài)電流值以及功率管開關(guān)頻率。在高開關(guān)頻率場合，常選取 MOS管，但單個(gè)MOS管通態(tài)電流較小，為了增加通流能力，本系統(tǒng)選用兩個(gè)MOS管并聯(lián)。選取器件時(shí)，流過MOS管電流取2倍裕量，MOS管兩端電壓取1.2倍裕量。為了增加通流能力，選取兩只IPA60R165CP (650 V，21 A)并聯(lián)。

2.3升壓電感

升壓電感的設(shè)計(jì)思路為：首先計(jì)算電感量，然后選擇合適的磁芯材料，最后結(jié)合磁路飽和對電感量的影響，選取合適的電感量及材料。

電感量的計(jì)算公式為：

式中：Vin為主電路輸入電壓，f為開關(guān)頻率，Lmin為電感量最小值，△Ilmax為電感電流紋波最大值。升壓電感最小取值隨之確定，為108 μH。

確定電感量后，需選取合適的磁芯材料。APFC電路的升壓電感磁芯材料有：磁粉芯、鐵氧體磁芯和有隙非晶/微晶合金磁芯等。綜合分析，考慮鐵硅鋁磁粉芯的磁通密度（BS）高、體積小且不用開氣隙的優(yōu)點(diǎn)，選擇鐵硅鋁磁粉芯作為磁芯材料。

當(dāng)主電路電流很大時(shí)，電感會出現(xiàn)直流偏置，導(dǎo)致磁路飽和。電流越大，磁路飽和程度越大。故選擇電感磁芯時(shí)，需考慮磁路飽和的問題。

綜合考慮，選取型號為KS184060A的鐵硅鋁磁芯 60匝，當(dāng)磁路飽和程度最大時(shí)，電感量仍為 110 μH，略大于108 μH。

3　PFC AC/DC變換器控制電路設(shè)計(jì)

控制電路采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)：外環(huán)為電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，電流環(huán)控制主電路輸入電流跟蹤參考電流，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。電壓環(huán)的輸出電壓與輸出參考電壓經(jīng)電壓誤差放大器比較后的輸出信號與前饋電壓和輸入電壓經(jīng)過乘法器運(yùn)算，得到電流環(huán)的輸入?yún)⒖茧娏?。通過電流環(huán)的調(diào)節(jié)，產(chǎn)生主電路開關(guān)管通斷的驅(qū)動(dòng)信號，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率因數(shù)校正且輸出穩(wěn)定的直流電壓。乘法器的作用主要為信號相乘，此處，本文重點(diǎn)研究電壓環(huán)和電流環(huán)的設(shè)計(jì)。

3.1電壓環(huán)設(shè)計(jì)

電壓環(huán)的作用之一是將輸出電壓的變化反饋給電流環(huán)；作用之二是將二次諧波電壓衰減到指定水平，以降低輸入電流的畸變。另外，由于輸出電容的充、放電，輸出紋波電壓滯后輸入電壓，故電壓環(huán)的設(shè)計(jì)尚需兼顧考慮有足夠的相移，以保證輸出電壓紋波與輸入電壓同相位。綜上可知，需設(shè)置合理的補(bǔ)償電路，使得電壓環(huán)能夠滿足上述條件。

無補(bǔ)償時(shí)，電壓環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)[8]表達(dá)式為：

式中：Pin為輸入功率，△V為電壓誤差放大器輸出電壓范圍。電壓開環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖如圖4中H曲線所示，二次諧波得不到衰減，導(dǎo)致輸入電流畸變變大，故需設(shè)置一個(gè)極點(diǎn)，使紋波電壓得到較好的衰減，同時(shí)將紋波電壓超前移相90°。

設(shè)計(jì)的補(bǔ)償電路傳遞函數(shù)為：

綜合考慮，配置極點(diǎn)頻率等于穿越頻率。此時(shí)，相位裕度為45°，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，且二次諧波得到了較大的衰減。加入補(bǔ)償后的電壓環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖如圖4中N曲線所示，二次諧波獲得了較大的衰減，且紋波電壓超前相移90°。

圖4　補(bǔ)償前、后的電壓環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖

3.2電流環(huán)設(shè)計(jì)

電流環(huán)的作用是調(diào)節(jié)主電路輸入電流，使之跟蹤主電路輸入電壓，實(shí)現(xiàn)高PF控制。電流環(huán)的設(shè)計(jì)思路是通過補(bǔ)償電路的合理設(shè)計(jì)，增加其響應(yīng)速度，同時(shí)確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

無補(bǔ)償電路時(shí)，電流環(huán)由PWM比較器和功率級組成，開環(huán)傳遞函數(shù)[8]表達(dá)式為：

電流開環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖如圖5中H曲線所示，電流環(huán)帶寬很窄，且高頻噪聲得不到很好的抑制。為此，通過低頻處設(shè)置零點(diǎn)，提高低頻增益，增加帶寬；同時(shí)，在高頻處設(shè)置極點(diǎn)，抑制開關(guān)噪音。設(shè)計(jì)的補(bǔ)償電路開環(huán)傳遞函數(shù)為：

為此，選取合適的截止頻率，設(shè)定零點(diǎn)頻率以及極點(diǎn)頻率，使系統(tǒng)的相位裕度在45°以上，同時(shí)兼顧使電流環(huán)滿足高增益和大帶寬設(shè)計(jì)需求。設(shè)定截止頻率為6.65 kHz，零點(diǎn)頻率為 4.5 kHz，極點(diǎn)頻率為46 kHz，相位裕度為48°，加入補(bǔ)償電路后電流環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖如圖5中N曲線所示，加入補(bǔ)償后的電流環(huán)在低頻處，系統(tǒng)帶寬較大；在高頻處，開關(guān)噪聲獲得了較好的衰減；此外，系統(tǒng)相位裕度超過45°，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5　補(bǔ)償前、后電流環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖

4　系統(tǒng)仿真和實(shí)驗(yàn)測試

基于 Saber仿真軟件[9]對系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，Boost PFC AC/DC變換器主要參數(shù)為：電感L=500 μH，輸出電容 Co=990 μH，開關(guān)頻率fs=133 kHz，電網(wǎng)頻率 fin=50 Hz，R16=510 kΩ，R17=10 kΩ，R4=160 Ω，R5=0.01 Ω，其他參數(shù)通過前述的設(shè)計(jì)流程獲得。在輸入電壓有效值為140 V和 220 V時(shí)，分別對系統(tǒng)仿真和實(shí)驗(yàn)測試，仿真結(jié)果如圖6所示，實(shí)驗(yàn)測試波形如圖7所示。

圖6　輸入電壓、電流和輸出電壓動(dòng)態(tài)

系統(tǒng)仿真和實(shí)研測試結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的 Boost PFC AC/DC變換器能夠在寬的輸入電壓范圍內(nèi)獲得穩(wěn)定的直流輸出電壓，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)輸入電流波形跟蹤輸入電壓波形，具有較高的功率因數(shù)。

圖7　Boost PFC AC/DC變換器實(shí)測動(dòng)態(tài)

5　結(jié)論

為了避免車載充電器接入電網(wǎng)時(shí)對電網(wǎng)造成污染，根據(jù)國際電工委員會制定的用電設(shè)備諧波限制標(biāo)準(zhǔn)及國標(biāo)，針對輸出功率 2 kW 的車載充電器，架構(gòu)了 Boost PFC AC/DC變換器主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及平均電流控制的設(shè)計(jì)方案，給出了其主電路及控制電路詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟及設(shè)計(jì)流程。在系統(tǒng)仿真測試驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，完成了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證。系統(tǒng)仿真及實(shí)測結(jié)果均揭示出，設(shè)計(jì)的2 kW車載充電器在寬輸入電壓條件下能夠?qū)崿F(xiàn)高功率因數(shù)輸入及低紋波穩(wěn)壓輸出的目標(biāo)，且具有系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單、體積小、工作穩(wěn)定性高和成本較低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣泛。

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[2]孫逢春.電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].科學(xué)中國人，2006 (8)：44-47.

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[6]周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛華.開關(guān)電源功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2004.

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Design of PFC AC/DC converter for battery chargers in electrical vehicle

Wang Yuanqing，Li Hongmei
(School of Electrical and Automation Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

In order to reduce harmonic pollution on the grid and increase the power efficiency when charging electric vehicles connected to the grid,power factor must be corrected.PFC AC/DC converter is one of the core parts of the car charger,and provides a stable DC voltage for poster-level DC/DC system.Aiming at the battery charger of rated power 2 kW,the AC/DC converter is designed with power factor correction(PFC)capacity,the boost PFC main topology is selected and the average current control is used to carry out its control.The design process of main circuit and control circuit is shown in detail,including device selection,control strategy and parameters configuration of main circuit and control circuit.Finally,system simulation and prototype experiments are implemented to verify the dynamic and static performance of proposed PFC AC/DC converter.

electric vehicles；on-board charger；AC/DC converter；Boost PFC；average current control

U463.6；TM910.6

A

0258-7998(2015)02-0152-04

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.02.038

（2014-09-05）

王源卿（1988－），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：APFC的設(shè)計(jì)及控制，E-mail：kethiwang@126.com。

李紅梅（1969－），女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：電機(jī)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)與控制、故障診斷與故障預(yù)測、非線性動(dòng)態(tài)等。