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              整流器_淺談整流器在電動汽車充電機中PWM的應用案例

                   1 引言

                電動汽車(ev)是由電機驅動前進的,而電機的動力則是來自可循環充電的電池,并且電動汽車對電池的工作特性的要求遠超過了傳統的電池系統。隨著電池技術的提高,因為電動汽車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越復雜,這樣會對現有的電網造成很大的干擾。因此,需要高效而且失真度低的充電機。

                從傳統上來講,充電器可以被分為兩個大類:線性電源和開關電源。線性電源主要有三方面的優勢:

                設計簡單,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很嚴重的缺點。使用開關電源可以解決這些問題,開關電源的效率高,體積小而且成本也低。傳統的開關電源式充電機采用不可控或者半控器件如晶閘管進行整流,雖然能夠得到較為平滑的直流電壓,但是同時也給電網注入了大量的無功功率和諧波電流,給電網造成很大的污染。

                隨著電力電子技術的發展,三相電壓型pwm整流器(vsr)因其具有功率因數可控、網側電流趨近于正弦、直流側電壓穩定等優點,應用在汽車充電器中,可以解決功率因數低、諧波電流大等問題。

                但是pwm整流器的開關元件在電壓和電流全不為零的時候動作會消耗能量,而且隨著開關頻率增加,在開關器件上的損耗會變得越來越大。使用諧振型零電壓軟開關可以解決這些問題,而且具有很多的優點:功率開關的軟切換,在開關過程中的損耗將會很小,反過來會增加充電的效率而且可以增加運行的頻率。這樣充電機的體積和重量也會得到減小。另外一個好處是,在使用諧振[型軟開關后,整流器中電壓電流中的諧波含量會得到降低。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關頻率時,諧振型的整流器造成的emi問題會小很多。使用諧振型的整流器去提高充電機的功率等級、充電效率、可靠性和其他的工作特性。

                2 充電機的總體拓撲結構

                從原理上描述了充電機的總體拓撲結構圖,中包括幾個主要的部分:

                (1)emi濾波器:抑制交流電網中的高頻干擾對設備的影響,同時屏蔽電動汽車充電機對交流電網造成的干擾;

                (2)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的諧波污染;隨著功率因數的提高,充電站功率因數校正(pfc)的壓力會得到降低。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,也可用作整個充電站的功率因數校正(pfc),因此會有廣泛的應用前景,本文將主要對他進行設計。

                (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,并通過調節占空比改變輸出的電壓電流的大小;

                (4)高頻變壓器:傳輸頻交流電能,同時能夠將負載和前級電路進行隔離;

                (5)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主要環節,但是在提高功率因數和充電效率等方面,需要著重的分析三相pwm整流器的運行機理,所以在下文的討論中主要關注如何通過改進三相整流器的電路并通過改進控制方式來達到要求。

                3 三相pwm整流器電路結構與動作分析

                帶有軟開關的三相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關電路(zvs),并且在開關器件上都并聯了緩沖電容。

                由于整流器的開關頻率遠高于電網頻率,因此在一個開關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、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關器件總有一方導通,所以cr1=3cs。軟開關部分包含了兩個開關器件sa1、sa2,兩個二極管d1、d2,諧振電感lr和諧振電容cr1、cr2。在軟開關的結構中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,三相橋的功率開關進行動作,可以實現零電壓操作,極大的降低了功耗。

                通過這個軟開關結構可以將整流橋和輔助開關完全置于軟開關的條件之下,同時能夠省去直流環節的濾波電容(電解電容),能夠減小充電器的體積,并且能夠對延長充電機的壽命起到極大的作用。

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