在全球大力倡導(dǎo)節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)的大背景下，電動汽車憑借其低污染、低能耗等優(yōu)勢，成為了汽車行業(yè)未來發(fā)展的重要方向。然而，電動汽車的普及與廣泛應(yīng)用仍面臨著諸多亟待解決的問題，其中充電技術(shù)便是關(guān)鍵之一。目前，電動汽車主要的充電方式包括常規(guī)充電、快速充電、無線充電以及更換電池等。其中，更換電池方式具有電動車電池?zé)o需現(xiàn)場充電、更換時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，且更換下來的電池可由充電站統(tǒng)一充電。但由于充電站每天更換下來的電池?cái)?shù)量和型號各異，對充電電源的電壓、電流和功率提出了多樣化的要求。為滿足電動汽車充電站的這一需求，本文精心設(shè)計(jì)了一種電壓在 0 - 100 V 可調(diào)、電流在 0 - 100 A 可調(diào)、最大功率為 10 kW 的電動汽車充電模塊。該電源模塊既可以獨(dú)立作為一個(gè)可調(diào)電壓、電流源使用，也能夠?qū)⒍鄠€(gè)模塊進(jìn)行串并聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)更大電壓、電流和功率的輸出要求。

電路結(jié)構(gòu)與工作原理

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該電源模塊的總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由三相整流模塊、全橋 IGBT 功率模塊、高頻變壓器、輸出濾波電感、輸出濾波電容和主控制電路組成。其輸出方式分為恒壓輸出和恒流輸出兩種，因此反饋回路也有兩路。一路是內(nèi)環(huán)為限流環(huán)、外環(huán)為電壓環(huán)的反饋回路（恒壓輸出方式）；另一路是僅有電流環(huán)的反饋回路（恒流輸出方式）。兩路反饋信號經(jīng)過一個(gè)由單片機(jī)控制的多路模擬選擇器送入移相控制芯片 UCC3895，產(chǎn)生 PWM 信號，再通過 IGBT 驅(qū)動電路控制 IGBT。在恒壓模式下，內(nèi)環(huán)的限流環(huán)可起到限流作用；在恒流模式下，系統(tǒng)的最大輸出電壓即為全橋電路以最大占空比輸出時(shí)的電壓，無需進(jìn)行限壓，僅存在一個(gè)電流環(huán)。系統(tǒng)中的電壓、電流環(huán)均采用限幅 PI 調(diào)節(jié)器，由硬件電路實(shí)現(xiàn)，以確保電源模塊負(fù)反饋的快速性。而電壓參考 Uref、電流參考 Iref、恒壓和恒流兩個(gè)工作模式的選擇、過壓、欠壓、過流、過溫保護(hù)以及與計(jì)算機(jī)的通信等功能，則由單片機(jī)完成，以實(shí)現(xiàn)電源模塊的靈活性。

主功率電路及反饋回路

全橋變換器拓?fù)湟蚱溟_關(guān)管的穩(wěn)態(tài)關(guān)斷電壓等于直流輸入電壓，而非推挽、單端正激或交錯(cuò)正激拓?fù)涞膬杀?，且輸出為具有正?fù)的全波，不會造成變壓器磁芯偏磁，所以廣泛應(yīng)用于大功率電源中。本電源模塊采用全橋變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖 2 所示。VS1、VS2 組成變換器的超前橋臂，VS3、VS4 組成滯后橋臂，LK 為變壓器漏感，Cb 為隔直電容，用于平衡變壓器伏秒值，防止變壓器偏磁。變壓器變比為 3:1，次級輸出采用全橋整流。該拓?fù)淅米儔浩髀└?LK 和功率開關(guān)管的并聯(lián)電容 C1、C2 產(chǎn)生諧振，實(shí)現(xiàn)超前臂的零電壓開通與關(guān)斷；變壓器副側(cè)采用由 Dh、Dr、Dc 組成的輔助電路實(shí)現(xiàn)滯后臂的零電流開通與關(guān)斷。通過改變對角線上開關(guān)管驅(qū)動信號之間的相位差來改變占空比，從而調(diào)節(jié)電源輸出功率。其主要工作波形如圖 3 所示。

該全橋拓?fù)涞某氨蹖?shí)現(xiàn) ZVS 的條件是在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，要有足夠能量抽走將要開通的開關(guān)管的并聯(lián)電容上的電荷，使電容電壓下降為零。經(jīng)計(jì)算，在輸入電壓 Vin = 513 V，輸入電流最大為 33 A，1μs 時(shí)達(dá)到 ZVS 的條件下，可得出相關(guān)參數(shù)。滯后臂要實(shí)現(xiàn) ZCS，要求原邊電流在超前管關(guān)斷后到滯后管關(guān)斷前這段時(shí)間里能夠減小到零，即電容 Cc 上儲存的能量要大于變壓器漏感中的能量。通過計(jì)算可得 Cc = 0.43μF。該電源模塊能夠?qū)崿F(xiàn)串并聯(lián)，其電流采樣采用霍爾電流傳感器，電壓采樣采用差分信號反饋，只與輸出電壓正負(fù)兩端的電壓差有關(guān)。在兩個(gè)模塊串聯(lián)時(shí)，上下電源模塊的 V - 端電壓不同，但對每個(gè)電源模塊的電壓反饋無影響。此外，控制電和主電路也是隔離的，因此該電源模塊可實(shí)現(xiàn)串并聯(lián)。電壓反饋信號 V + 和 V - 經(jīng)過差分式減法電路得到電壓反饋信號 Vo。電壓電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)表明，該調(diào)節(jié)器由一個(gè) PI 調(diào)節(jié)器和一個(gè)濾波調(diào)節(jié)器組成。通過調(diào)節(jié) R5 和 R6 的比值可改變比例系數(shù)，調(diào)節(jié) R5 和 C1 可改變積分常數(shù)。該調(diào)節(jié)器還可提供一個(gè)原點(diǎn)極點(diǎn)、一個(gè)低頻零點(diǎn)和一個(gè)高頻極點(diǎn)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，選擇合適的參數(shù)可調(diào)節(jié)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與快速性。圖 4 中的穩(wěn)壓管對調(diào)節(jié)器起到限幅作用。

IGBT 驅(qū)動

本電源模塊的 IGBT 驅(qū)動電路由變壓器和光耦組成。交流 15 V 輸入（由直流 15 V 經(jīng)過由 MOSFET 組成的 H 橋逆變得到）送入一個(gè)多抽頭高頻變壓器（工作頻率為 30 kHz），變壓器副側(cè)輸出經(jīng)全波整流濾波后給光耦供電，每個(gè)驅(qū)動電路驅(qū)動一個(gè) IGBT。該驅(qū)動電路具有以下特點(diǎn)：

1. 產(chǎn)生導(dǎo)通 IGBT 所需的正向柵極電壓 VGE，當(dāng)光耦導(dǎo)通時(shí)，Vo 輸出電壓為 VCC，相對于變壓器中點(diǎn)電壓 VE 是正的驅(qū)動電壓。
2. 產(chǎn)生 IGBT 關(guān)斷所需的負(fù)壓 VGE，當(dāng)光耦關(guān)斷時(shí)，Vo 輸出電壓為 VEE，相對于變壓器中點(diǎn)電壓 VE 是負(fù)的關(guān)斷電壓，可快速關(guān)斷 IGBT，并有效防止因 IGBT 快速關(guān)斷帶來的誤導(dǎo)通，保證 IGBT 安全、可靠地工作。
3. 驅(qū)動電路與主電路和控制電路均隔離，控制光耦的兩路 PWM 信號是同一橋臂上下兩個(gè)管子的 PWM 信號，只有 PWMA 為高、PWMB 為低時(shí)，光耦才導(dǎo)通，下管的驅(qū)動相反，可防止兩只管子同時(shí)導(dǎo)通。
4. IGBT 的柵射極之間并接兩只反串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管，可有效抑制驅(qū)動電路出現(xiàn)的高壓尖脈沖，保護(hù) IGBT。
5. 4 個(gè)驅(qū)動電路彼此之間幾乎無相互干擾，因?yàn)椴捎貌煌儔浩鳌Ｅc許多采用 TOPSwitch 結(jié)構(gòu)，用一個(gè)變壓器產(chǎn)生多組隔離電壓提供關(guān)斷 IGBT 所需負(fù)壓的電源相比，本電源的驅(qū)動方法不存在彼此引進(jìn)干擾的問題。

電源模塊的串并聯(lián)

該電源模塊既可以獨(dú)立作為電源使用，也可進(jìn)行串并聯(lián)。當(dāng)多個(gè)模塊串并聯(lián)時(shí)，只需在上層用一個(gè)控制器給定各個(gè)電源模塊的電壓、電流值，且各模塊的電壓、電流給定會根據(jù)負(fù)載和電源之間的回流實(shí)時(shí)變化，以實(shí)現(xiàn)各電源模塊之間的均流、均壓。這種設(shè)計(jì)使得電源使用非常靈活，能單獨(dú)使用，也能串并聯(lián)使用，非常適合電動汽車充電站滿足各種不同功率的充電需求。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，研制了一臺功率為 10 kW 的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。部分實(shí)驗(yàn)波形如圖 6 所示。從圖 6 可以看出，驅(qū)動電路提供的負(fù)電壓可保證 IGBT 關(guān)斷時(shí)，VGE 在 0 V 以下，且驅(qū)動電路抗干擾能力良好。超前臂 IGBT 開通時(shí)，VCE 已為零，關(guān)斷時(shí) VCE 緩慢上升，實(shí)現(xiàn)了 ZVS。由圖 7 可知，滯后臂 IGBT 開通時(shí)，電流上升緩慢，關(guān)斷時(shí)電流已為零，實(shí)現(xiàn)了 ZCS。

結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的適合電動汽車充電的電源，采用了全橋變換器拓?fù)浜陀布妷弘娏鳝h(huán)。在超前臂 IGBT 并聯(lián)合適的電容，在變壓器副邊增加簡單的輔助電路，實(shí)現(xiàn)了移相全橋 ZVS、ZCS 軟開關(guān)技術(shù)，大大降低了 IGBT 開關(guān)器件的損耗。設(shè)計(jì)的變壓器加光耦的 IGBT 驅(qū)動電路可實(shí)現(xiàn) IGBT 的可靠開關(guān)，且抗干擾能力強(qiáng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證效果良好。最后樣機(jī)的成功實(shí)現(xiàn)，充分證明了本設(shè)計(jì)的可行性。