三相PWM整流器在电动汽车充电机上的应用

1 引言
   　　电动汽车（ev）是由电机驱动前进的［1］，而电机的动力则是来自可循环充电的电池［2］，并且电动汽车对电池的工作特性的要求远超过了传统的电池系统。随着电池技术的提高，因为电动汽车电池系统中的高电压和大电流的以及复杂的充电算法，所以对电池的充电变得越来越复杂［3］，这样会对现有的电网造成很大的干扰。因此，需要高效而且失真度低的充电机［4］。
   　　从传统上来讲，充电器可以被分为两个大类：线性电源和开关电源［5］ ［6］［7］。线性电源主要有三方面的优势：设计简单，在输出端没有电气噪声而且成本比较低。但是线性电源的充电电路效率低对充电器来说是一个很严重的缺点。使用开关电源可以解决这些问题，开关电源的效率高，体积小而且成本也低。传统的开关电源式充电机采用不可控或者半控器件如晶闸管进行整流，虽然能够得到较为平滑的直流电压，但是同时也给电网注入了大量的无功功率和谐波电流，给电网造成很大的污染［8］。随着电力电子技术的发展，三相电压型pwm整流器（vsr）因其具有功率因数可控、网侧电流趋近于正弦、直流侧电压稳定等优点，应用在汽车充电器中，可以解决功率因数低、谐波电流大等问题［9］。
   　　但是pwm整流器的开关元件在电压和电流全不为零的时候动作会消耗能量［10］，而且随着开关频率增加，在开关器件上的损耗会变得越来越大［11］。使用谐振型零电压软开关可以解决这些问题，而且具有很多的优点：功率开关的软切换，在开关过程中的损耗将会很小，反过来会增加充电的效率而且可以增加运行的频率［12］。这样充电机的体积和重量也会得到减小［13］。另外一个好处是，在使用谐振［型软开关后，整流器中电压电流中的谐波含量会得到降低［14］。因此，当谐振型的整流器和传统整流器工作在相同的功率等级和开关频率时，谐振型的整流器造成的emi问题会小很多［15］。使用谐振型的整流［器去提高充电［16］机的功率等级、充电效率、可靠性和其他的工作特性［17］。
   　　三相谐振型逆变器广泛的应用在电机调速控制等领域［20］，本文以三相逆变器为原型，设计了三相pwm整流器。并且根据谐振型整流器的特点，对控制方法进行了改进，使其能够达到最低的失真度（df）和最小的总谐波失真（thd）。将它运用在电动汽车充电机上，能够减小充电站的功率因数校正环节的压力，而且由于采用了软开关技术，不会由于增加了可控开关管，而导致充电效率降低，为充电机的大规模并入电网提供了必要条件。
   2 充电机的总体拓扑结构
   
   　　图1从原理上描述了充电机的总体拓扑结构图，图中包括几个主要的部分：
   　　（1）emi滤波器：抑制交流电网中的高频干扰对设备的影响，同时屏蔽电动汽车充电机对交流电网造成的干扰；
   　　（2）三相pwm整流器：三相pwm整流器应用在充电机上能够提高功率因数，而且能够减少对电网的谐波污染；随着功率因数的提高，充电站功率因数校正（pfc）的压力会得到降低。由于其具有功率因数可控的功能，既可以将它应用在充电机上，也可用作整个充电站的功率因数校正（pfc），因此会有广泛的应用前景，本文将主要对他进行设计。
   　　（3）全桥逆变器：将整流得到的直流电压逆变成高频交流方波，用以通过高频变压器，并通过调节占空比改变输出的电压电流的大小；
   　　（4）高频变压器：传输高频交流电能，同时能够将负载和前级电路进行隔离；
   　　（5）不可控整流桥：对高频变压器传输的交流方波整流，用于对电池进行充电。
   　　在主电路中受控的主要是三相pwm整流桥和全桥逆变器两个主要环节，但是在提高功率因数和充电效率等方面，需要着重的分析三相pwm整流器的运行机理，所以在下文的讨论中主要关注如何通过改进三相整流器的电路并通过改进控制方式来达到要求。
   
   3 三相pwm整流器电路结构与动作分析
   
   　　图2为带有软开关的三相pwm整流器的电路结构，电路图的左半部份为三相pwm整流桥，右半部分为零电压开关电路（zvs），并且在开关器件上都并联了缓冲电容。
   　　由于整流器的开关频率远高于电网频率，因此在一个开关周期内可以认为整流器的输入电流和输出电流是恒定的，从而可以用恒流源is和il来表示输入电流和输出电流。因此可以用图3作为图2的等效电路，在图3中sreg、ds、cr1分别代表整流器的功率开关、续流二极管和缓冲电容。由于三相整流桥的上下桥臂功率开关器件总有一方导通，所以cr1=3cs。软开关部分包含了两个开关器件sa1、sa2，两个二极管d1、d2，谐振电感lr和谐振电容cr1、cr2。在软开关的结构中cr1是主谐振电容，cr2是辅助电容用于将谐振电感lr的电流ilr反向。在主谐振电容vcr1为0期间，三相桥的功率开关进行动作，可以实现零电压操作，极大的降低了功耗。
   　　通过这个软开关结构可以将整流桥和辅助开关完全置于软开关的条件之下，同时能够省去直流环节的滤波电容（电解电容），能够减小充电器的体积，并且能够对延长充电机的寿命起到极大的作用。
   
   4 实现单位功率因数运行
   　　对整流器交流侧运用基尔霍夫电压定律可以得到电网电压、整流桥压降和电感电阻压降之间的电压关系等式：
   　　（1）由于分布电阻r的阻值较小，忽略分布电阻压降后可以得到电压之间的向量图如图4（a）所示。
   
   　　提高系统的功率因数，并实现单位功率因数运行，交流侧的电压和电流的方向需要保持一致（如图4（b））所示，可以通过控制三相整流桥上的压降的大小和相角来调节电流的方向。采用直接电流控制来调节三相整流桥上的压降，通过对整流器直流侧的电压进行反馈和交流侧电流的前馈控制，可以实现调节的大小和向量，并最终使交流侧电压电流的方向保持一致，实现高功率因数运行。
   5 svpwm应用在pwm整流器
   　　svpwm在整流器上被广泛的应用着，因为最大输出电压比spwm调制方法要高出15%，同时谐波特性也要比别的调制方法要好很多［18］，同时能够保持最低的开关频率［19］，但是在将svpwm应用到带有软开关的整流器的时候，在采样周期的电压向量序列需要做一些改变。
            
   　　（2）其中，瞬时空间向量是dq坐标系下的8个空间向量，如图5（a）所示，大小为，其中包含6个非零的向量v1~v6和两个零向量v0、v7，并且将整个dq平面均分成6个扇形区域ⅰ~ⅵ。
   
   　　根据文献［20］，在带有软开关的三相整流器中，采用svpwm方式最好的调制方法是按照图5（b）所描述的向量作用顺序，使用这种方法能够获得最低的失真度（df）和最小的总谐波失真（thd）。在图5b的调制方法中，v0、v1、v2分别代表的是零向量和两个非零向量。在同一个扇形区域中，两个非零向量在作用时间t=2*δθ=2ωts中交替着作为第一个作用向量，并且在两个非零向量作用时间中间添加进零向量的作用时间。
   
   　　图6为三相整流器的控制框图，分为3个部分：最左侧的是软开关作用时间和向量序列作用时间控制块，负责产生谐振控制时间t1和三个电压合成向量的作用时间t0、t1、t2；中间是软开关和整流器igbt门信号的产生器，通过接收控制器的时间信号，产生满足要求的igbt门信号；最右侧则是被控对象三相整流桥（vsr）和软开关（zvs）的电路。通过控制sa1、sa2的通断，给svpwm的向量作用序列创造零电压的开关时间，同时按照改进的svpwm向量作用顺序，能够极大的减小因为功率管增多而造成的充电效率下降的问题。
   
   6 仿真结果
   　　为了进行实验研究和分析，对带有软开关的三相pwm整流器在matlab/simulink中进行了仿真，仿真的参数如下：交流侧的三相电压为380v，开关频率为20khz，直流侧电压设定值为450v，电路参数：cr1=6500μf，cr2=450μf，lr=20mh。
   
   　　仿真结果如图7和图8所示：图7（a）中表示的是直流侧电压的仿真波形，可以发现直流侧电压vdc基本稳定在450v，而且电压的波动范围很小，符合设计的要求，图7（b）表示的是电网侧交流电压电流之间的关系，在直流侧电压稳定后，电压和电流一直保持着同相的关系，功率因数接近为1，能够实现充电机的高功率因数运行的要求；图8（a）表示的是电压的调制比的大小，同样他的波动范围非常小，图8（b）表示的是有功和无功电流的大小，可以看到无功电流一直稳定在0附近，整流器的功率因数能够接近为1。
   7 结束语
   　　本文采用开关电源技术设计了大功率的汽车充电器，并对三相pwm整流器进行了详细的设计。综合采用了零电压软开关（zvs）技术和空间矢量脉宽调制（svpwm）技术，并且根据软开关的开关条件对svpwm的调制方法进行改进，使其能够获得最低的失真度（df）和最小的总谐波失真（thd）。最后对三相pwm整流器进行了仿真，仿真显示充电过程中能够获得很高的功率因数，而且交流侧电流接近于正弦，直流侧电压稳定。由于充电机能够达到很高的功率因数，同时谐波含量也很低，所以可以减小充电站的功率因数校正环节的负担，同时设计的三相整流器由于具有功率因数可控的特点，可以用作充电站的功率因数校正环节，为充电机的大规模使用提供了必要条件。
   　　参考文献
   　　［1］ 王建赜，伏祥运，曾繁鹏，等。可连续调节容性无功的pwm型静止无功补偿器［j］。电力系统自动化，2005，29（8）：71-74．
   　　［2］ nasser h.kutkut，deepak m. divan， donald w. novotny， et al.design consideration and topology selection for a 120-kw igbtconverter for ev fast charging. ieee transcations on powerelectronics， vol.13， no.1， january 1998.
   　　［3］ ying-chun chuang， yu-lung ke， hung-shiang chuang， et al.implementation and analysis of an improved series-loaded resonantdc-dc coverter operating above resonance for battery chargers. ieeetransactions on industry applications， vol.45， no.3， may/june 2009.
   　　［4］ t.-f. wu， j.-c. hung， s.-y. tseng， et al. analysis and design ofa battery charger with interleaved pfc based on an asymmetricalhalf-bridge topology. ieice/ieee intelec’03， oct. 19-23， 2003
   　　［5］ s. chunlei， b. c. walker， e. zeisel， b. hu， g. h. mcallister. ahighly integrated power management ic for advanced mobileapplications. ieee journal of solid-state circuits， vol. 42， no. 8，august 2007， pp. 1723-1731.
   　　［6］ y. c. chuang， and y. l. ke. high-efficiency and low-stresszvt-pwm dc-to-dc converter for battery charger. ieee transactions onindustry electronicss， vol. 55， no. 8， august 2008， pp. 3030-3037.
   　　［7］ l. r. chen， j. j. chen， n. y. chu， and g. y. han. current-pumpedbattery charger. ieee transactions on industry electronicss， vol.55， no. 6， june 2008， pp. 2482-2488.
   　　［8］ 武志贤，蔡丽娟，汤酉元。三相高功率因数整流器的研究现状及展望［j］。电气传动，2005，35（2）：3-7．
   　　［9］ h.m. suryawanshi， s.g. tarnekar. resonant converter in highpower factor， high voltage dc applications. iee proc.-electr. powerappl.， vol. 145， no.4， july 1998.
   　　［10］a. kawahashi. a new-generation hybrid electric vehicle and itssupporting power semiconductor devices. proceedings of the 16thinternational symposium on power semiconductor devices and ics.2004， ispsd’04， may 24-27， 2004， pp. 23-29.
   　　［11］刘文华，马晓军，郑文斌，等。高功率因数48v/50a通信开关电源［j］。电力系统自动化，1997，21（9）：69-71．
   　　［12］c.r.mersman， m.m.morcos， and n.g.dillman. performance offerroresonant transformer in microprocessor-based battery chargerfor electric vehicles. in proc. 7th european power electronicsconf.， trondheim， norway， 1997， pp.162-167.
   　　［13］周原，胡伟，沈沉，等。空间矢量脉宽调制与单周控制的等效性［j］。电力系统自动化，2005，29（12）：19-23．
   　　［14］hengchun mao， fred c. y. lee， dushan boroyevich， et al. reviewof high-performance three-phase power-factor correction circuits.ieee transaction on industrial electronics， vol.44， no.4， august1997.
   　　［15］m.m.morcos， curtis r. mersman， g.g. sugavanam， norman g.dillman. battery chargers for electric vehicles. ieee powerengineering review， november2000.
   　　［16］张崇巍，张兴.pwm整流器及其控制［m］．北京：机械工业出版社，2003.10．
   　　［17］m. j. bland， l. emprinham， j.c. clare， and p.w.wheeler.a newresonant soft switching topology for direct ac-ac converters. ieeepower electronics specialists conference. june 2002.
   　　［18］malinowski m.， kazmierkowski m.p. .simple direct power controlof three phase pwm rectifier using space vector modulation-acomparative study. epe journal， vol.13， n°2， mai 2003.
   　　［19］bai hua，zhao zheng-ming， meng shuo. comparison of three pwmstrategies-spwm， svpwm & one-cycle control.in; the fifthinternational conference on power electronics and drive systems， vol2. singapore： 2003.1313-1316.
   　　［20］yong c.jung， hyo l. liu， guk c. cho，and gyu h. cho. softswitching space vector pwm inverter using a new quasi-parallelresonant dc link. ieee transactions on power electronics， vol. 11，no.3， may 1996.