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PWM整流器在電動(dòng)汽車充電機(jī)上的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間:2012-03-06

中心議題:

  • 探討PWM整流器在電動(dòng)汽車充電機(jī)上的應(yīng)用

解決方案:

  • 對整流器交流側(cè)運(yùn)用基爾霍夫電壓定律
  • 采用直接電流控制來調(diào)節(jié)三相整流橋上的壓


1 引言

電動(dòng)汽車(ev)是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)前進(jìn)的[1],而電機(jī)的動(dòng)力則是來自可循環(huán)充電的電池 [2],并且電動(dòng)汽車對電池的工作特性的要求遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的電池系統(tǒng)。隨著電池技術(shù)的提高,因?yàn)殡妱?dòng)汽車電池系統(tǒng)中的高電壓和大電流的以及復(fù)雜的充電算 法,所以對電池的充電變得越來越復(fù)雜[3],這樣會(huì)對現(xiàn)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(jī)[4]。

從傳統(tǒng)上來 講,充電器可以被分為兩個(gè)大類:線性電源和開關(guān)電源[5] [6][7]。線性電源主要有三方面的優(yōu)勢:設(shè)計(jì)簡單,在輸出端沒有電氣噪聲而且成本比較低。但是線性電源的充電電路效率低對充電器來說是一個(gè)很嚴(yán)重的缺 點(diǎn)。使用開關(guān)電源可以解決這些問題,開關(guān)電源的效率高,體積小而且成本也低。傳統(tǒng)的開關(guān)電源式充電機(jī)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)注入了大量的無功功率和諧波電流,給電網(wǎng)造成很大的污染[8]。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,三相電壓型pwm整流器 (vsr)因其具有功率因數(shù)可控、網(wǎng)側(cè)電流趨近于正弦、直流側(cè)電壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用在汽車充電器中,可以解決功率因數(shù)低、諧波電流大等問題[9]。

但是pwm整流器的開關(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],而且隨著開關(guān)頻率增加,在開關(guān)器件上的損耗會(huì)變得越來越大[11]。使用諧 振型零電壓軟開關(guān)可以解決這些問題,而且具有很多的優(yōu)點(diǎn):功率開關(guān)的軟切換,在開關(guān)過程中的損耗將會(huì)很小,反過來會(huì)增加充電的效率而且可以增加運(yùn)行的頻率 [12]。這樣充電機(jī)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(dāng)諧振型的整流器和傳統(tǒng)整流器工作在相同的功率等級和開關(guān)頻率時(shí),諧振型的整流器造成的emi問題會(huì)小很多[15]。使用諧振型的整流[器去提高充電 [16]機(jī)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(yīng)用在電機(jī)調(diào)速控制等領(lǐng)域[20],本文以三 相逆變器為原型,設(shè)計(jì)了三相pwm整流器。并且根據(jù)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(dá)到最低的失真度(df)和最小的總諧波失真 (thd)。將它運(yùn)用在電動(dòng)汽車充電機(jī)上,能夠減小充電站的功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)的壓力,而且由于采用了軟開關(guān)技術(shù),不會(huì)由于增加了可控開關(guān)管,而導(dǎo)致充電效 率降低,為充電機(jī)的大規(guī)模并入電網(wǎng)提供了必要條件。

2 充電機(jī)的總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

充電機(jī)的總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1從原理上描述了充電機(jī)的總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖,圖中包括幾個(gè)主要的部分:

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

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

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

(4)高頻變壓器:傳輸頻交流電能,同時(shí)能夠?qū)⒇?fù)載和前級電路進(jìn)行隔離;

(5)不可控整流橋:對高頻變壓器傳輸?shù)慕涣鞣讲ㄕ?,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(jié),但是在提高功率因數(shù)和充電效率等方面,需要著重的分析三相pwm整流器的運(yùn)行機(jī)理,所以在下文的討論中主要關(guān)注如何通過改進(jìn)三相整流器的電路并通過改進(jìn)控制方式來達(dá)到要求。

3 三相pwm整流器電路結(jié)構(gòu)與動(dòng)作分析

帶有軟開關(guān)的三相pwm整流器的電路結(jié)構(gòu)

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

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由 于整流器的開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于電網(wǎng)頻率,因此在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)可以認(rèn)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關(guān)、續(xù)流二極管和緩沖電容。由于三相整流橋的上下橋臂功 率開關(guān)器件總有一方導(dǎo)通,所以cr1=3cs。軟開關(guān)部分包含了兩個(gè)開關(guān)器件sa1、sa2,兩個(gè)二極管d1、d2,諧振電感l(wèi)r和諧振電容cr1、 cr2。在軟開關(guān)的結(jié)構(gòu)中cr1是主諧振電容,cr2是輔助電容用于將諧振電感l(wèi)r的電流ilr反向。在主諧振電容vcr1為0期間,三相橋的功率開關(guān)進(jìn) 行動(dòng)作,可以實(shí)現(xiàn)零電壓操作,極大的降低了功耗。
 

圖2的等效電路
 
通過這個(gè)軟開關(guān)結(jié)構(gòu)可以將整流橋和輔助開關(guān)完全置于軟開關(guān)的條件之下,同時(shí)能夠省去直流環(huán)節(jié)的濾波電容(電解電容),能夠減小充電器的體積,并且能夠?qū)ρ娱L充電機(jī)的壽命起到極大的作用。

4 實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行

對整流器交流側(cè)運(yùn)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:

(1)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。

 

電壓之間的向量圖

提高系統(tǒng)的功率因數(shù),并實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行,交流側(cè)的電壓和電流的方向需要保持一致(如圖4(b))所示,可以通過控制三相整流橋上的壓降的大小和相角來 調(diào)節(jié)電流的方向。采用直接電流控制來調(diào)節(jié)三相整流橋上的壓降,通過對整流器直流側(cè)的電壓進(jìn)行反饋和交流側(cè)電流的前饋控制,可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的大小和向量,并最 終使交流側(cè)電壓電流的方向保持一致,實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)運(yùn)行。

5 svpwm應(yīng)用在pwm整流器

svpwm 在整流器上被廣泛的應(yīng)用著,因?yàn)樽畲筝敵鲭妷罕萻pwm調(diào)制方法要高出15%,同時(shí)諧波特性也要比別的調(diào)制方法要好很多[18],同時(shí)能夠保持最低的開關(guān) 頻率[19],但是在將svpwm應(yīng)用到帶有軟開關(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。

(2)其中,瞬時(shí)空間向量是dq坐標(biāo)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(qū)域ⅰ~ⅵ。

瞬時(shí)空間向量
 

根據(jù)文獻(xiàn)[20],在帶有軟開關(guān)的三相整流器中,采用svpwm方式最好的調(diào)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(diào)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(qū)域中,兩個(gè)非零向量 在作用時(shí)間t=2*δθ=2ωts中交替著作為第一個(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。

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三相整流器的控制框圖
 

圖 6為三相整流器的控制框圖,分為3個(gè)部分:最左側(cè)的是軟開關(guān)作用時(shí)間和向量序列作用時(shí)間控制塊,負(fù)責(zé)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;中間是軟開關(guān)和整流器igbt門信號的產(chǎn)生器,通過接收控制器的時(shí)間信號,產(chǎn)生滿足要求的igbt門信號;最右側(cè)則是被控對象三相整流 橋(vsr)和軟開關(guān)(zvs)的電路。通過控制sa1、sa2的通斷,給svpwm的向量作用序列創(chuàng)造零電壓的開關(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?yàn)楣β使茉龆喽斐傻某潆娦氏陆档膯栴}。

6 仿真結(jié)果


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

 

仿真結(jié)果
 

仿 真結(jié)果如圖7和圖8所示:圖7(a)中表示的是直流側(cè)電壓的仿真波形,可以發(fā)現(xiàn)直流側(cè)電壓vdc基本穩(wěn)定在450v,而且電壓的波動(dòng)范圍很小,符合設(shè)計(jì)的 要求,圖7(b)表示的是電網(wǎng)側(cè)交流電壓電流之間的關(guān)系,在直流側(cè)電壓穩(wěn)定后,電壓和電流一直保持著同相的關(guān)系,功率因數(shù)接近為1,能夠?qū)崿F(xiàn)充電機(jī)的高功 率因數(shù)運(yùn)行的要求;圖8(a)表示的是電壓的調(diào)制比的大小,同樣他的波動(dòng)范圍非常小,圖8(b)表示的是有功和無功電流的大小,可以看到無功電流一直穩(wěn)定 在0附近,整流器的功率因數(shù)能夠接近為1。

7 結(jié)束語


本文采用開關(guān)電源技術(shù)設(shè)計(jì)了大 功率的汽車充電器,并對三相pwm整流器進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。綜合采用了零電壓軟開關(guān)(zvs)技術(shù)和空間矢量脈寬調(diào)制(svpwm)技術(shù),并且根據(jù)軟開關(guān) 的開關(guān)條件對svpwm的調(diào)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 示充電過程中能夠獲得很高的功率因數(shù),而且交流側(cè)電流接近于正弦,直流側(cè)電壓穩(wěn)定。由于充電機(jī)能夠達(dá)到很高的功率因數(shù),同時(shí)諧波含量也很低,所以可以減小 充電站的功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)的負(fù)擔(dān),同時(shí)設(shè)計(jì)的三相整流器由于具有功率因數(shù)可控的特點(diǎn),可以用作充電站的功率因數(shù)校正環(huán)節(jié),為充電機(jī)的大規(guī)模使用提供了必要 條件。

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