三相PWM整流器在電動(dòng)汽車(chē)充電機上的應用

1 引言

　　電動(dòng)汽車(chē)（ev）是由電機驅動(dòng)前進(jìn)的［1］，而電機的動(dòng)力則是來(lái)自可循環(huán)充電的電池［2］，并且電動(dòng)汽車(chē)對電池的工作特性的要求遠超過(guò)了傳統的電池系統。隨著(zhù)電池技術(shù)的提高，因為電動(dòng)汽車(chē)電池系統中的高電壓和大電流的以及復雜的充電算法，所以對電池的充電變得越來(lái)越復雜［3］，這樣會(huì )對現有的電網(wǎng)造成很大的干擾。因此，需要高效而且失真度低的充電機［4］。

　　從傳統上來(lái)講，充電器可以被分為兩個(gè)大類(lèi)：線(xiàn)性電源和開(kāi)關(guān)電源［5］ ［6］［7］。線(xiàn)性電源主要有三方面的優(yōu)勢：設計簡(jiǎn)單，在輸出端沒(méi)有電氣噪聲而且成本比較低。但是線(xiàn)性電源的充電電路效率低對充電器來(lái)說(shuō)是一個(gè)很?chē)乐氐娜秉c(diǎn)。使用開(kāi)關(guān)電源可以解決這些問(wèn)題，開(kāi)關(guān)電源的效率高，體積小而且成本也低。傳統的開(kāi)關(guān)電源式充電機采用不可控或者半控器件如晶閘管進(jìn)行整流，雖然能夠得到較為平滑的直流電壓，但是同時(shí)也給電網(wǎng)注入了大量的無(wú)功功率和諧波電流，給電網(wǎng)造成很大的污染［8］。隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，三相電壓型pwm整流器（vsr）因其具有功率因數可控、網(wǎng)側電流趨近于正弦、直流側電壓穩定等優(yōu)點(diǎn)，應用在汽車(chē)充電器中，可以解決功率因數低、諧波電流大等問(wèn)題［9］。

　　但是pwm整流器的開(kāi)關(guān)元件在電壓和電流全不為零的時(shí)候動(dòng)作會(huì )消耗能量［10］，而且隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率增加，在開(kāi)關(guān)器件上的損耗會(huì )變得越來(lái)越大［11］。使用諧振型零電壓軟開(kāi)關(guān)可以解決這些問(wèn)題，而且具有很多的優(yōu)點(diǎn)：功率開(kāi)關(guān)的軟切換，在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的損耗將會(huì )很小，反過(guò)來(lái)會(huì )增加充電的效率而且可以增加運行的頻率［12］。這樣充電機的體積和重量也會(huì )得到減?。?3］。另外一個(gè)好處是，在使用諧振［型軟開(kāi)關(guān)后，整流器中電壓電流中的諧波含量會(huì )得到降低［14］。因此，當諧振型的整流器和傳統整流器工作在相同的功率等級和開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，諧振型的整流器造成的emi問(wèn)題會(huì )小很多［15］。使用諧振型的整流［器去提高充電［16］機的功率等級、充電效率、可靠性和其他的工作特性［17］。

　　三相諧振型逆變器廣泛的應用在電機調速控制等領(lǐng)域［20］，本文以三相逆變器為原型，設計了三相pwm整流器。并且根據諧振型整流器的特點(diǎn)，對控制方法進(jìn)行了改進(jìn)，使其能夠達到最低的失真度（df）和最小的總諧波失真（thd）。將它運用在電動(dòng)汽車(chē)充電機上，能夠減小充電站的功率因數校正環(huán)節的壓力，而且由于采用了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，不會(huì )由于增加了可控開(kāi)關(guān)管，而導致充電效率降低，為充電機的大規模并入電網(wǎng)提供了必要條件。

2 充電機的總體拓撲結構

　　圖1從原理上描述了充電機的總體拓撲結構圖，圖中包括幾個(gè)主要的部分：

　?。?）emi濾波器：抑制交流電網(wǎng)中的高頻干擾對設備的影響，同時(shí)屏蔽電動(dòng)汽車(chē)充電機對交流電網(wǎng)造成的干擾；

　?。?）三相pwm整流器：三相pwm整流器應用在充電機上能夠提高功率因數，而且能夠減少對電網(wǎng)的諧波污染；隨著(zhù)功率因數的提高，充電站功率因數校正（pfc）的壓力會(huì )得到降低。由于其具有功率因數可控的功能，既可以將它應用在充電機上，也可用作整個(gè)充電站的功率因數校正（pfc），因此會(huì )有廣泛的應用前景，本文將主要對他進(jìn)行設計。

　?。?）全橋逆變器：將整流得到的直流電壓逆變成高頻交流方波，用以通過(guò)高頻變壓器，并通過(guò)調節占空比改變輸出的電壓電流的大??；

　?。?）高頻變壓器：傳輸高頻交流電能，同時(shí)能夠將負載和前級電路進(jìn)行隔離；

　?。?）不可控整流橋：對高頻變壓器傳輸的交流方波整流，用于對電池進(jìn)行充電。

　　在主電路中受控的主要是三相pwm整流橋和全橋逆變器兩個(gè)主要環(huán)節，但是在提高功率因數和充電效率等方面，需要著(zhù)重的分析三相pwm整流器的運行機理，所以在下文的討論中主要關(guān)注如何通過(guò)改進(jìn)三相整流器的電路并通過(guò)改進(jìn)控制方式來(lái)達到要求。

3 三相pwm整流器電路結構與動(dòng)作分析

　　圖2為帶有軟開(kāi)關(guān)的三相pwm整流器的電路結構，電路圖的左半部份為三相pwm整流橋，右半部分為零電壓開(kāi)關(guān)電路（zvs），并且在開(kāi)關(guān)器件上都并聯(lián)了緩沖電容。

　　由于整流器的開(kāi)關(guān)頻率遠高于電網(wǎng)頻率，因此在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內可以認為整流器的輸入電流和輸出電流是恒定的，從而可以用恒流源is和il來(lái)表示輸入電流和輸出電流。因此可以用圖3作為圖2的等效電路，在圖3中sreg、ds、cr1分別代表整流器的功率開(kāi)關(guān)、續流二極管和緩沖電容。由于三相整流橋的上下橋臂功率開(kāi)關(guān)器件總有一方導通，所以cr1=3cs。軟開(kāi)關(guān)部分包含了兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件sa1、sa2，兩個(gè)二極管d1、d2，諧振電感lr和諧振電容cr1、cr2。在軟開(kāi)關(guān)的結構中cr1是主諧振電容，cr2是輔助電容用于將諧振電感lr的電流ilr反向。在主諧振電容vcr1為0期間，三相橋的功率開(kāi)關(guān)進(jìn)行動(dòng)作，可以實(shí)現零電壓操作，極大的降低了功耗。

　　通過(guò)這個(gè)軟開(kāi)關(guān)結構可以將整流橋和輔助開(kāi)關(guān)完全置于軟開(kāi)關(guān)的條件之下，同時(shí)能夠省去直流環(huán)節的濾波電容（電解電容），能夠減小充電器的體積，并且能夠對延長(cháng)充電機的壽命起到極大的作用。

4 實(shí)現單位功率因數運行

　　對整流器交流側運用基爾霍夫電壓定律可以得到電網(wǎng)電壓、整流橋壓降和電感電阻壓降之間的電壓關(guān)系等式：

　?。?）由于分布電阻r的阻值較小，忽略分布電阻壓降后可以得到電壓之間的向量圖如圖4（a）所示。

　　提高系統的功率因數，并實(shí)現單位功率因數運行，交流側的電壓和電流的方向需要保持一致（如圖4（b））所示，可以通過(guò)控制三相整流橋上的壓降的大小和相角來(lái)調節電流的方向。采用直接電流控制來(lái)調節三相整流橋上的壓降，通過(guò)對整流器直流側的電壓進(jìn)行反饋和交流側電流的前饋控制，可以實(shí)現調節的大小和向量，并最終使交流側電壓電流的方向保持一致，實(shí)現高功率因數運行。

5 svpwm應用在pwm整流器

　　svpwm在整流器上被廣泛的應用著(zhù)，因為最大輸出電壓比spwm調制方法要高出15%，同時(shí)諧波特性也要比別的調制方法要好很多［18］，同時(shí)能夠保持最低的開(kāi)關(guān)頻率［19］，但是在將svpwm應用到帶有軟開(kāi)關(guān)的整流器的時(shí)候，在采樣周期的電壓向量序列需要做一些改變。

　?。?）其中，瞬時(shí)空間向量是dq坐標系下的8個(gè)空間向量，如圖5（a）所示，大小為，其中包含6個(gè)非零的向量v1~v6和兩個(gè)零向量v0、v7，并且將整個(gè)dq平面均分成6個(gè)扇形區域~Α

　　根據文獻［20］，在帶有軟開(kāi)關(guān)的三相整流器中，采用svpwm方式最好的調制方法是按照圖5（b）所描述的向量作用順序，使用這種方法能夠獲得最低的失真度（df）和最小的總諧波失真（thd）。在圖5b的調制方法中，v0、v1、v2分別代表的是零向量和兩個(gè)非零向量。在同一個(gè)扇形區域中，兩個(gè)非零向量在作用時(shí)間t=2*δθ=2ωts中交替著(zhù)作為第一個(gè)作用向量，并且在兩個(gè)非零向量作用時(shí)間中間添加進(jìn)零向量的作用時(shí)間。

　　圖6為三相整流器的控制框圖，分為3個(gè)部分：最左側的是軟開(kāi)關(guān)作用時(shí)間和向量序列作用時(shí)間控制塊，負責產(chǎn)生諧振控制時(shí)間t1和三個(gè)電壓合成向量的作用時(shí)間t0、t1、t2；中間是軟開(kāi)關(guān)和整流器igbt門(mén)信號的產(chǎn)生器，通過(guò)接收控制器的時(shí)間信號，產(chǎn)生滿(mǎn)足要求的igbt門(mén)信號；最右側則是被控對象三相整流橋（vsr）和軟開(kāi)關(guān)（zvs）的電路。通過(guò)控制sa1、sa2的通斷，給svpwm的向量作用序列創(chuàng )造零電壓的開(kāi)關(guān)時(shí)間，同時(shí)按照改進(jìn)的svpwm向量作用順序，能夠極大的減小因為功率管增多而造成的充電效率下降的問(wèn)題。

6 仿真結果

　　為了進(jìn)行實(shí)驗研究和分析，對帶有軟開(kāi)關(guān)的三相pwm整流器在matlab/simulink中進(jìn)行了仿真，仿真的參數如下：交流側的三相電壓為380v，開(kāi)關(guān)頻率為20khz，直流側電壓設定值為450v，電路參數：cr1=6500μf，cr2=450μf，lr=20mh。

　　仿真結果如圖7和圖8所示：圖7（a）中表示的是直流側電壓的仿真波形，可以發(fā)現直流側電壓vdc基本穩定在450v，而且電壓的波動(dòng)范圍很小，符合設計的要求，圖7（b）表示的是電網(wǎng)側交流電壓電流之間的關(guān)系，在直流側電壓穩定后，電壓和電流一直保持著(zhù)同相的關(guān)系，功率因數接近為1，能夠實(shí)現充電機的高功率因數運行的要求；圖8（a）表示的是電壓的調制比的大小，同樣他的波動(dòng)范圍非常小，圖8（b）表示的是有功和無(wú)功電流的大小，可以看到無(wú)功電流一直穩定在0附近，整流器的功率因數能夠接近為1。

7 結束語(yǔ)

　　本文采用開(kāi)關(guān)電源技術(shù)設計了大功率的汽車(chē)充電器，并對三相pwm整流器進(jìn)行了詳細的設計。綜合采用了零電壓軟開(kāi)關(guān)（zvs）技術(shù)和空間矢量脈寬調制（svpwm）技術(shù)，并且根據軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)條件對svpwm的調制方法進(jìn)行改進(jìn)，使其能夠獲得最低的失真度（df）和最小的總諧波失真（thd）。最后對三相pwm整流器進(jìn)行了仿真，仿真顯示充電過(guò)程中能夠獲得很高的功率因數，而且交流側電流接近于正弦，直流側電壓穩定。由于充電機能夠達到很高的功率因數，同時(shí)諧波含量也很低，所以可以減小充電站的功率因數校正環(huán)節的負擔，同時(shí)設計的三相整流器由于具有功率因數可控的特點(diǎn)，可以用作充電站的功率因數校正環(huán)節，為充電機的大規模使用提供了必要條件。

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