摘要

分析了移相全橋變換器的工作原理，提出一種安全可靠的IGBT驅(qū)動(dòng)電路。據(jù)此設(shè)計(jì)了一種面向電動(dòng)汽車(chē)充電站應(yīng)用的電源模塊，該電源模塊具有恒壓和恒流兩種輸出方式。電壓反饋采用差分方式，可以實(shí)現(xiàn)串并聯(lián)。根據(jù)設(shè)計(jì)試鑭了一臺(tái)輸入為三相380 V交流。輸出為100 V。功率為10 kW 的樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電源系統(tǒng)具有良好的控制效果、很強(qiáng)的靈活性和可靠性。

由于環(huán)境與能源的壓力，電動(dòng)汽車(chē)將是汽車(chē)發(fā)展的一個(gè)方向和趨勢(shì)，電動(dòng)汽車(chē)的普及與廣泛應(yīng)用還存在著不少待解決的問(wèn)題，其中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是電動(dòng)汽車(chē)的充電技術(shù)。目前電動(dòng)汽車(chē)主要有以下充電方式：常規(guī)充電、快速充電、無(wú)線充電、更換電池，其中更換電池的優(yōu)點(diǎn)是電動(dòng)車(chē)電池不需現(xiàn)場(chǎng)充電，更換電池時(shí)間較短，更換下來(lái)的電池可以由充電站統(tǒng)一充電。由于充電站每天換下來(lái)的電池?cái)?shù)量不同，甚至型號(hào)不同，對(duì)充電電源的電壓、電流、功率的要求多樣。面對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電站這種需求，本文設(shè)計(jì)了一種電壓0～100 V可調(diào)、電流0～100 A可調(diào)、最大功率為10 kW 的電動(dòng)汽車(chē)充電模塊，該電源模塊既可以獨(dú)立的作為一個(gè)可調(diào)電壓、電流源來(lái)使用，亦可把多個(gè)模塊進(jìn)行串并聯(lián)來(lái)使用，以實(shí)現(xiàn)更大電壓、電流、功率的要求。

1 電路結(jié)構(gòu)與工作原理

1．1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1所示為該電源模塊總體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)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。

該系統(tǒng)的輸出分為兩種方式：恒壓輸出和恒流輸出。因此該系統(tǒng)的反饋回路有兩路：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)；另一路是只有電流環(huán)的反饋回路(恒流輸出方式)。兩路反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)多路模擬選擇器(由單片機(jī)控制)送入移相控制芯片UCC3895，產(chǎn)生PWM信號(hào)，再經(jīng)過(guò)IGBT驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制IGBT。在恒壓模式下內(nèi)環(huán)的限流環(huán)可以起到限流的作用。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，不需要限壓，只有一個(gè)電流環(huán)。

系統(tǒng)中的電壓、電流環(huán)均是限幅Pl調(diào)節(jié)器，由硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到該電源模塊負(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(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)溫保護(hù)以及和計(jì)算機(jī)的通信都是由單片機(jī)來(lái)完成的，以實(shí)現(xiàn)該電源模塊的靈活性。

1．2主功率電路及反饋回路

全橋變換器的拓?fù)溟_(kāi)關(guān)管的穩(wěn)態(tài)關(guān)斷電壓等于直流輸入電壓，而不是像推挽、單端正激或交錯(cuò)正激拓?fù)淠菢訛檩斎腚妷旱膬杀叮胰珮蜃儞Q器的輸出是具有正負(fù)的全波，不會(huì)造成變壓器磁芯的偏磁，廣泛用于大功率電源中，因此該電源采用全橋變換器拓?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組成變換器的滯后橋臂，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，變壓器次級(jí)輸出采用全橋整流。該拓?fù)淅米儔浩髀└蠰K和功率開(kāi)關(guān)管的并聯(lián)電容C1、C2產(chǎn)生諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)超前臂的零電壓開(kāi)通與關(guān)斷。變壓器副側(cè)采用由Dh、Dr、Dc組成的輔助電路來(lái)實(shí)現(xiàn)滯后臂的零電流開(kāi)通與關(guān)斷，改變對(duì)角線上開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的相位差來(lái)改變占空比，以達(dá)到調(diào)節(jié)電源輸出功率的目的日。其主要的工作波形如圖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)，要有足夠能量來(lái)抽走將要開(kāi)通的開(kāi)關(guān)管的并聯(lián)電容上的電荷，使電容電壓下降為零。輸入電壓Vin=513 V，輸入電流最大為33 A，設(shè)在1μs時(shí)達(dá)到ZVS，則有：

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，所以電容Cc上儲(chǔ)存的能量要大于變壓器漏感中的能量。電容與電感上儲(chǔ)存的能量分別為：

由Wc=WL，得：

式中：Vin=513V；Vo=100 V；Iin=33 A；K=3；實(shí)際測(cè)得 ；LK=8μH；計(jì)算得Cc=0．43μF。

該電源模塊能夠串并聯(lián)，要求反饋電壓、電流信號(hào)必須和主電路的參考地沒(méi)有關(guān)系，因此該電源模塊的電流采樣采用霍爾電流傳感器，而電壓采樣則采用差分信號(hào)反饋(如圖4所示)，它只和輸出電壓正負(fù)兩端的電壓差有關(guān)系。在兩個(gè)模塊串聯(lián)的時(shí)候，上下兩個(gè)電源模塊的V-端的電壓是不一樣的，但這對(duì)每個(gè)電源模塊的電壓反饋是沒(méi)有任何影響的。另外控制電和主電路也是隔離的，因此該電源模塊可以實(shí)現(xiàn)串并聯(lián)。

如圖4所示，電壓反饋信號(hào)V+和V-經(jīng)過(guò)一個(gè)差分式減法電路得到電壓反饋信號(hào)Vo。

圖4中，電壓電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：

從傳遞函數(shù)可以看出該調(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。調(diào)節(jié)R5和R6的比值即改變比例系數(shù)，調(diào)節(jié)R5和C1即可改變積分常數(shù)。該調(diào)節(jié)器也可以提供一個(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)可以調(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(duì)調(diào)節(jié)器起到限幅的作用。

1．3 IGBT驅(qū)動(dòng)

如圖5所示，在本電源模塊中，IGBT驅(qū)動(dòng)電路是由變壓器和光耦組成。交流15 V輸入(由直流15V經(jīng)過(guò)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(dòng)電路驅(qū)動(dòng)一個(gè)IGBT。

該驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)有：

(1)產(chǎn)生導(dǎo)通IGBT所需要的正向柵極電壓VGE，當(dāng)光耦導(dǎo)通時(shí)，Vo輸出電壓為VCC，相對(duì)于變壓器中點(diǎn)電壓VE是一個(gè)正的驅(qū)動(dòng)電壓。

(2)產(chǎn)生IGBT關(guān)斷所需要的負(fù)壓VGE，當(dāng)光耦關(guān)斷時(shí)，Vo輸出電壓為VEE，相對(duì)于變壓器中點(diǎn)電壓 是一個(gè)負(fù)的關(guān)斷電壓VE，可以快速關(guān)斷IGBT，并且可以有效防止由于IGBT快速關(guān)斷帶來(lái)的誤導(dǎo)通，保證IGBT安全、可靠地工作。

(3)驅(qū)動(dòng)電路與主電路和控制電路均是隔離的，另外控制光耦的兩路PWM 信號(hào)是同一個(gè)橋臂的上下兩個(gè)管子的PWM 信號(hào)，這樣只有PWMA為高、PWMB為低時(shí)，光耦才會(huì)導(dǎo)通，下管的驅(qū)動(dòng)是相反的，可以防止兩只管子同時(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，可以有效抑制驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)的高壓尖脈沖，這對(duì)IGBT起到了保護(hù)作用。

(5)4個(gè)驅(qū)動(dòng)電路彼此之間幾乎沒(méi)有相互干擾，因?yàn)樗鼈儾捎玫氖遣煌儔浩鳌Ｓ泻芏嚯娫吹目刂坪万?qū)動(dòng)供電采用的是TOPSwitch結(jié)構(gòu)，用一個(gè)變壓器產(chǎn)生多組隔離的電壓，來(lái)提供關(guān)斷IGBT時(shí)所需要的負(fù)壓，但它們彼此之間很容易引進(jìn)干擾，本電源采用驅(qū)動(dòng)方法沒(méi)有這些缺點(diǎn)。

1．4 電源模塊的串并聯(lián)

該電源模塊可以當(dāng)作一個(gè)獨(dú)立的電源來(lái)使用，也可以串并聯(lián)使用。當(dāng)多個(gè)模塊進(jìn)行串并聯(lián)時(shí)，只需要在上層用一個(gè)控制器來(lái)給定各個(gè)電源模塊的電壓、電流值即可，當(dāng)然各模塊的電壓、電流給定是根據(jù)負(fù)載和電源之間的回流而時(shí)時(shí)變化的，來(lái)實(shí)現(xiàn)各電源模塊之間的均流、均壓。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是電源使用起來(lái)非常靈活，可以單獨(dú)使用，可以串并聯(lián)使用，非常適合給電動(dòng)汽車(chē)充電站使用，以滿足其各種不同功率的充電要求。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上面的設(shè)計(jì)，研制了一臺(tái)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。

由圖6可以看到驅(qū)動(dòng)電路提供的負(fù)電壓可以保證在IGBT關(guān)斷時(shí)，VGE在0 V以下，而且驅(qū)動(dòng)電路的抗干擾能力很好。超前臂IGBT開(kāi)通時(shí)，VCE已經(jīng)為零，關(guān)斷時(shí)VCE緩慢上升，實(shí)現(xiàn)了ZVS

由圖7可以看出滯后臂IGBT開(kāi)通時(shí)，電流上升緩慢，關(guān)斷時(shí)電流已經(jīng)為零，實(shí)現(xiàn)了ZCS。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種適合電動(dòng)汽車(chē)充電的電源，該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)適合的電容，在變壓器副邊增加簡(jiǎn)單的輔助電路，實(shí)現(xiàn)了移相全橋ZVS、ZCS軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，大大降低IGBT開(kāi)關(guān)器件的損耗。本文設(shè)計(jì)的變壓器加光耦的IGBT驅(qū)動(dòng)電路可以實(shí)現(xiàn)IGBT的可靠開(kāi)關(guān)，并且抗干擾能力很好，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具有非常好的效果。最后樣機(jī)的實(shí)現(xiàn)證明了本設(shè)計(jì)的可行性。