中心議題：

• 探討PWM整流器在電動汽車充電機上的應用

解決方案：

• 對整流器交流側運用基爾霍夫電壓定律
• 采用直接電流控制來調節三相整流橋上的壓降

1 引言

電動汽車（ev）是由電機驅動前進的［1］，而電機的動力則是來自可循環充電的電池 ［2］，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［3］，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［4］。

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［5］ ［6］［7］。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［8］。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［9］。

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［10］，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［11］。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 ［12］。這樣充電機的體積和重量也會得到減小［13］。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［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關頻率時，諧振型的整流器造成的emi問題會小很多［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，對控制方法進行了改進，使其能夠達到最低的失真度（df）和最小的總諧波失真 （thd）。將它運用在電動汽車充電機上，能夠減小充電站的功率因數校正環節的壓力，而且由于采用了軟開關技術，不會由于增加了可控開關管，而導致充電效 率降低，為充電機的大規模并入電網提供了必要條件。

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

圖2為帶有軟開關的三相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。

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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。
 

 

4 實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電壓、整流橋壓降和電感電阻壓降之間的電壓關系等式：

（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。

 

提高系統的功率因數，并實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，可以通過控制三相整流橋上的壓降的大小和相角來 調節電流的方向。采用直接電流控制來調節三相整流橋上的壓降，通過對整流器直流側的電壓進行反饋和交流側電流的前饋控制，可以實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，因為最大輸出電壓比spwm調制方法要高出15%，同時諧波特性也要比別的調制方法要好很多［18］，同時能夠保持最低的開關 頻率［19］，但是在將svpwm應用到帶有軟開關的整流器的時候，在采樣周期的電壓向量序列需要做一些改變。

（2）其中，瞬時空間向量是dq坐標系下的8個空間向量，如圖5（a）所示，大小為，其中包含6個非零的向量v1~v6和兩個零向量v0、v7，并且將整個dq平面均分成6個扇形區域ⅰ~ⅵ。

根據文獻［20］，在帶有軟開關的三相整流器中，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非零向量。在同一個扇形區域中，兩個非零向量 在作用時間t=2*δθ=2ωts中交替著作為第一個作用向量，并且在兩個非零向量作用時間中間添加進零向量的作用時間。

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圖 6為三相整流器的控制框圖，分為3個部分：最左側的是軟開關作用時間和向量序列作用時間控制塊，負責產生諧振控制時間t1和三個電壓合成向量的作用時間 t0、t1、t2；中間是軟開關和整流器igbt門信號的產生器，通過接收控制器的時間信號，產生滿足要求的igbt門信號；最右側則是被控對象三相整流 橋（vsr）和軟開關（zvs）的電路。通過控制sa1、sa2的通斷，給svpwm的向量作用序列創造零電壓的開關時間，同時按照改進的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題。

6 仿真結果

為 了進行實驗研究和分析，對帶有軟開關的三相pwm整流器在matlab/simulink中進行了仿真，仿真的參數如下：交流側的三相電壓為380v，開 關頻率為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，可以發現直流側電壓vdc基本穩定在450v，而且電壓的波動范圍很小，符合設計的 要求，圖7（b）表示的是電網側交流電壓電流之間的關系，在直流側電壓穩定后，電壓和電流一直保持著同相的關系，功率因數接近為1，能夠實現充電機的高功 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定 在0附近，整流器的功率因數能夠接近為1。

7 結束語

本文采用開關電源技術設計了大 功率的汽車充電器，并對三相pwm整流器進行了詳細的設計。綜合采用了零電壓軟開關（zvs）技術和空間矢量脈寬調制（svpwm）技術，并且根據軟開關 的開關條件對svpwm的調制方法進行改進，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整流器進行了仿真，仿真顯 示充電過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，同時諧波含量也很低，所以可以減小 充電站的功率因數校正環節的負擔，同時設計的三相整流器由于具有功率因數可控的特點，可以用作充電站的功率因數校正環節，為充電機的大規模使用提供了必要 條件。

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