高性能車載充電機硬件電路設(shè)計研究論文
電動汽車作為新型代步交通工具，車載充電機是其不可缺少的配套充電設(shè)備，對車載充電機的研究顯得尤為重要。一款成功的高性能的車載充電機要能抑制諧波、功率因數(shù)高、效率高等特點。本文根據(jù)上述特點，設(shè)計了一款2kw的車載充電機。有源功率因數(shù)校正電路（APFC）能有效抑制諧波，提高功率因數(shù)。而軟開關(guān)技術(shù)能有效提高充電機的效率。本文將二者結(jié)合在一起，設(shè)計了一款高性能指標(biāo)的車載充電機，并進(jìn)行了波形測試及實驗驗證。
1車載充電機硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及原理
1.1APFC拓?fù)浼霸砉β?/p>
因數(shù)校正有多種拓?fù)潆娐�，比如boost、buck、buckfly等電路。本文采用BOOST電路拓?fù)�，如圖1所示，因其電流連續(xù)、電流波形失真小、輸出功率大、儲能電感同時具有抑制RFI和EMI噪聲的功能。狀態(tài)分析：當(dāng)S通、VD斷時，假設(shè)此狀態(tài)持續(xù)時間為T1，可得到狀態(tài)方程，解得，其中為第K時刻的輸入電壓值。當(dāng)S斷、VD通時，假設(shè)此狀態(tài)持續(xù)時間為t2，可得狀態(tài)方程，解得：。當(dāng)S斷、VD斷時，假設(shè)此狀態(tài)持續(xù)時間為t3，得狀態(tài)方程。由上述公式可知，是跟隨輸入電壓變化的半波正弦函數(shù)，如圖2所示，其相位基本相同且輸入電流波形近乎正弦波，所以功率因數(shù)接近于1。當(dāng)電感電流臨界連續(xù)時，t3=0，可知電感電流的包絡(luò)線仍為半波正弦函數(shù)形式。弱電感電流連續(xù)，則表現(xiàn)為電感電流正弦變化的基波上迭加隨斬控頻率變化的高頻鋸齒波，鋸齒波的幅度與電感量及斬控頻率有關(guān)。
1.2逆變整流拓?fù)浼霸?/p>
逆變電路采用副邊無源鉗位軟開關(guān)移相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示S1、S3為超前臂，S2、S4為滯后臂。其軟開關(guān)的實現(xiàn)，超前臂的零電壓開關(guān)依靠變壓器漏感和超前臂的并聯(lián)電容實現(xiàn)，滯后臂的零電流開關(guān)通過變壓器二次測鉗位電容在換相期間鉗位電壓強迫一次側(cè)電流復(fù)位到零實現(xiàn)。此種軟開關(guān)結(jié)構(gòu)，所需器件簡單，不需要額外有源元件等優(yōu)點。
2主回路參數(shù)設(shè)計
2kw高性能車載充電機的額定輸出電壓為96V，額定電流為20A，輸入單相交流電160V-240V整流后經(jīng)APFC電路得到400V直流母線電壓，開關(guān)頻率fs取50KHZ。
（1）apfc電感設(shè)計。
1）輸入電流峰值的最大值確定：電感應(yīng)當(dāng)在最大電流時避免飽和。交流輸入電壓最小時，其峰值能達(dá)到最大，再考慮到期效率假設(shè)為0.92；
2）電感中紋波電流峰峰值。一般最大峰峰值可取輸入電流的20%；
3）確定輸入電壓峰值時的最大占空比；
4）電感量的計算：經(jīng)過試驗，調(diào)整為1mh。
�。�2）主變壓器的設(shè)計。
1）選定工作頻率在100khz，鐵氧體磁芯完全能夠滿足要求；
2）磁芯規(guī)格的選擇。鐵芯的窗口面積乘積為：通過查表選擇雙EE55磁芯。式中：V1I1為輸入功率；V2I2為輸出功率；K0為窗口利用系數(shù)，一般取0.2-0.4；Kf為波形系數(shù)，方波為4；
3）原邊繞組匝數(shù)選擇；
4）副邊匝數(shù)選擇
�。�3）鉗位電容的設(shè)計。其作用主要有兩個：一是鉗位整流二極管的電壓，從而降低二極管的`電壓應(yīng)力；二是超前臂關(guān)斷后，鉗位電容上的電壓反射到原邊，抵消漏感的能量，使得原邊電流迅速降低，實現(xiàn)滯后臂的零電流開關(guān)。本文中漏感選擇20uh。電容上存儲的能量為：一次測漏感能量為：為了抵消原邊漏感的能量，電容上存儲的能量要大于漏感存儲的能量，即整理得：最終經(jīng)過試驗選擇容值為200nf。
3實驗波形及結(jié)果分析
藍(lán)色為超前上橋臂驅(qū)動波形，黃色為超前上DS間波形，由上圖可知超前臂實現(xiàn)了零電壓開通關(guān)斷；圖中紅色為滯后下DS間波形，紫色為回路電流波形，由圖可知，滯后臂基本實現(xiàn)了零電流開通關(guān)斷。
4結(jié)束語
隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對車載充電機的要求越來越高，高頻化小型化高效化低諧波車載充電機成為發(fā)展的趨勢。本文研究了帶有源功率因數(shù)校正的移相全橋軟開關(guān)車載充電機，對其工作原理和性能做了分析并對樣機進(jìn)行了實驗，證明了充電機的可行性和有效性。
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