電動(dòng)車充電器研究與設(shè)計(jì)

電動(dòng)車充電器研究與設(shè)計(jì),電動(dòng)車,充電器,研究,鉆研,設(shè)計(jì) 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘要 隨著能源、環(huán)保問(wèn)題的日益突出，電動(dòng)汽車成為近年來(lái)迅速發(fā)展的一種新型汽車，并且有著巨大的發(fā)展空間。目前，限制電動(dòng)汽車發(fā)展的主要問(wèn)題是車載能源問(wèn)題，要完全用動(dòng)力電池替代傳統(tǒng)的汽油，除了改進(jìn)電池性能外，還要發(fā)展完善的輔助充電設(shè)備，因而研制一種方便、快捷、高效的充電器是必不可少的。 本文的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一款具有恒壓充電功能的車載充電器。論文首先對(duì)常用的蓄電池及充電方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要地介紹，并對(duì)充電器的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 為滿足電動(dòng)汽車蓄電池恒壓充電的需求，將大功率開(kāi)關(guān)電源變換技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)汽車車載充電器中。將有源功率因數(shù)校正電路與DC/DC電路相結(jié)合，以達(dá)到預(yù)期效果。并結(jié)合實(shí)際充電要求，給出了電動(dòng)汽車車載充電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，并就方案中涉及到的升壓式APFC電路、DC/DC降壓電路做了具體介紹，并在各環(huán)節(jié)中進(jìn)行了方案比較與選型。 最后，利用Matlab軟件中的Simulink模塊對(duì)該車載充電系統(tǒng)模型進(jìn)行建模與仿真。試驗(yàn)結(jié)果表明，該車載充電器設(shè)計(jì)方案滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求。 關(guān)鍵字：電動(dòng)汽車 車載充電器 APFC技術(shù) DC/DC變換器 ABSTRACT About the research and design of the electric vehicle charger is a very important part of the electric vehicle control system.For this field,I designed an charger of electric vehicle. In order to fast charge without damage, the battery of electric vehicle use of High-power switching power conversion technology.In order to achieve the desired results,combined with active power factor correction circuit and DC / DC Converters.And combined with the actual charging requirements,design of electric vehicle charging system design,Specific introduction on the circuit involved in the program,such as the Boost-APFC circuit,DC / DC Converter and PID control circuit.Especially in the part of DC / DC converter design,listed several design plan.And a description and comparison of design plan. Finally,Used the Simulink of the Matlab,to modeling and simulation for the charger of electric vehicle that designed.The results showed that the charger of electric vehicle for designed to meet all the design requirements,and has the value of the application. Key words: Electric vehicles; The charger; APFC; DC / DC Converter 目錄 摘要 I ABSTRACT II 目錄 III 1緒論 1 1.1研究背景 1 1.2研究目的與意義 2 1.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.4主要研究?jī)?nèi)容 4 2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 6 2.1設(shè)計(jì)的基本原理 6 2.2設(shè)計(jì)方案與選型 7 2.2.1整流濾波的設(shè)計(jì)方案與選型 7 2.2.2功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)方案與選型 7 2.2.3功率因數(shù)校正控制方式的設(shè)計(jì)方案與選型 9 2.2.4 DC/DC電路 11 3前級(jí)Boost APFC電路設(shè)計(jì) 19 3.1 Boost APFC主電路的硬件設(shè)計(jì) 19 3.1.1功率因數(shù)的定義 19 3.1.2主電路參數(shù)設(shè)計(jì) 20 3.2 Boost APFC控制電路的硬件設(shè)計(jì) 22 3.2.1單周期控制Boost PFC電路的工作原理 22 3.2.2 單周期控制Boost PFC變換器穩(wěn)定性分析 25 3.2.3 Boost PFC電路數(shù)學(xué)模型的建立 27 3.2.4控制電路設(shè)計(jì) 28 4后級(jí)Buck電路設(shè)計(jì) 35 4.1 Buck主電路 35 4.1.1 Buck變換器工作原理分析 35 4.1.2 Buck變換器參數(shù)計(jì)算 38 4.2 Buck控制電路 38 4.2.1傳遞函數(shù)的建立 38 4.2.2校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 39 5系統(tǒng)仿真 42 5.1 Boost APFC電路仿真 42 5.2 DC/DC降壓電路仿真 44 5.3 總電路圖 46 6總結(jié)與展望 47 參考文獻(xiàn) 48 附錄 49 致謝 50 50 1緒論 1.1研究背景 19世紀(jì)后半葉的1873年，英國(guó)人羅伯特?戴維森（Robert Davidsson）制作了世界上最初的可供實(shí)用的電動(dòng)汽車。這比德國(guó)人戴姆勒（Gottlieb Daimler）和本茨（Karl Benz）發(fā)明汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車早了10年以上[1]。 戴維森發(fā)明的電動(dòng)汽車是一輛載貨車，長(zhǎng)4800mm，寬1800mm，使用鐵、鋅、汞合金與硫酸進(jìn)行反應(yīng)的一次電池。其后，從1880年開(kāi)始，應(yīng)用了可以充放電的二次電池。從一次電子表池發(fā)展到二次電池，這對(duì)于當(dāng)時(shí)電動(dòng)汽車來(lái)講是一次重大的技術(shù)變革，由此電動(dòng)汽車需求量有了很大提高。在19世紀(jì)下半葉成為交通運(yùn)輸?shù)闹匾a(chǎn)品，寫(xiě)下了電動(dòng)汽車需求量有了很大提高。在19世紀(jì)下半葉成為交通運(yùn)輸?shù)闹匾a(chǎn)品，寫(xiě)下了電動(dòng)汽車在人類交通史上的輝煌一頁(yè)。1890年法國(guó)和英倫敦的街道上行駛著電動(dòng)大客車，當(dāng)時(shí)電動(dòng)汽車生產(chǎn)的車用內(nèi)燃機(jī)技術(shù)還相當(dāng)落后，行駛里程短，故障多，維修困難，而電動(dòng)汽車卻維修方便。 而電動(dòng)汽車最盛期是在19世紀(jì)末。1899年法國(guó)人考門?吉納駕駛一輛44kW雙電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的后輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，創(chuàng)造了時(shí)速106km的記錄[1]。 1900年美國(guó)制造的汽車中，電動(dòng)汽車為15755輛，蒸汽機(jī)汽車1684輛，而汽油機(jī)汽車只有936輛。進(jìn)入20世紀(jì)以后，由于內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，1908年美國(guó)福特汽車公司T型車問(wèn)世，以流水線生產(chǎn)方式大規(guī)模批量制造汽車使汽油機(jī)汽車開(kāi)始普及，致使在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中蒸汽機(jī)汽車與電動(dòng)汽車由于存在著技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性能上的不足，使前者被無(wú)情的歲月淘汰，后者則呈萎縮狀態(tài)。 電池是電動(dòng)汽車發(fā)展的首要關(guān)鍵，汽車動(dòng)力電池難在“低成本要求”、“高容量要求”及“高安全要行駛中的電動(dòng)汽車求”等三個(gè)要求上。要想在較大范圍內(nèi)應(yīng)用電動(dòng)汽車，要依靠先進(jìn)的蓄電池經(jīng)過(guò)10多年的篩選，現(xiàn)在普遍看好的氫鎳電池，鐵電池，鋰離子和鋰聚合物電池。氫鎳電池單位重量?jī)?chǔ)存能量比鉛酸電池多一倍，其它性能也都優(yōu)于鉛酸電池。但目前價(jià)格為鉛酸電池的4-5倍，正在大力攻關(guān)讓它降下來(lái)。鐵電池采用的是資源豐富、價(jià)格低廉的鐵元素材料，成本得到大幅度降低，也有廠家采用。鋰是最輕、化學(xué)特性十分活潑的金屬，鋰離子電池單位重量?jī)?chǔ)能為鉛酸電池的3倍，鋰聚合物電池為4倍，而且鋰資源較豐富，價(jià)格也不很貴，是很有希望的電池。 說(shuō)到電池，就不能不說(shuō)充電器。電動(dòng)汽車車載充電器是一種專為電動(dòng)汽車的車用電池充電的設(shè)備，是對(duì)電池充電時(shí)用到的有特定功能的電力轉(zhuǎn)換裝置。 隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，蓄電池已經(jīng)日益廣泛的運(yùn)用在交通運(yùn)輸、電力、通信等部門的設(shè)備中，它已經(jīng)成為最重要的關(guān)鍵系統(tǒng)部件之一。它的安全可靠運(yùn)行直接關(guān)系到整套設(shè)備的可靠運(yùn)行。蓄電池的充放電過(guò)程以及蓄電池系統(tǒng)的可持續(xù)放電時(shí)間也會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。 而隨著汽車行業(yè)的日益壯大，電動(dòng)汽車已經(jīng)成為一個(gè)很重要的發(fā)展方向。所以，對(duì)于蓄電池的相關(guān)研究越來(lái)越廣泛。而作為蓄電池的充電設(shè)備的車載充電器則是電動(dòng)汽車研究必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。 1.2研究目的與意義 從八十世紀(jì)到現(xiàn)在，全球的汽車工業(yè)經(jīng)歷了從無(wú)到有長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展。汽車在人類的工作、生活中成為不可或缺的工具，然而在創(chuàng)造無(wú)限經(jīng)濟(jì)價(jià)值的同時(shí)，汽車在行駛過(guò)程中排放的溫室氣體已成為全球氣候變暖的主要致因，伴隨而來(lái)的能源枯竭和環(huán)境污染更加讓國(guó)家不堪重負(fù)。除了面對(duì)傳統(tǒng)燃油汽車尾氣排放造成的污染，還要面對(duì)石油資源的過(guò)度消耗所引發(fā)的環(huán)境與能源問(wèn)題。 在我國(guó)大城市的大氣污染已不能忽視，汽車排放是主要污染源之一，我國(guó)已有16個(gè)城市被列入全球大氣污染最嚴(yán)重的20個(gè)城市之中。我國(guó)現(xiàn)今人均汽車是每1000人平均10輛汽車，但石油資源不足，每年已進(jìn)口幾千萬(wàn)噸石油，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，假如中國(guó)人均汽車持有量達(dá)到現(xiàn)在全球水平——每1000人有110輛汽車，我國(guó)汽車持有量將成10倍地增加，石油進(jìn)口就成為大問(wèn)題。因此在我國(guó)研究發(fā)展電動(dòng)汽車不是一個(gè)臨時(shí)的短期措施，而是意義重大的、長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略考慮。 電動(dòng)汽車以其良好的環(huán)保、節(jié)能特性, 成為當(dāng)今國(guó)際汽車發(fā)展的潮流和熱點(diǎn)。目前世界上許多發(fā)達(dá)國(guó)家的政府、著名汽車廠商及相關(guān)行業(yè)科研機(jī)構(gòu)都在致力于電動(dòng)汽車技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用推廣。 車載電動(dòng)汽車充電器是電動(dòng)汽車大規(guī)模商業(yè)化后不可缺少的組成部分, 如何實(shí)現(xiàn)車載充電器對(duì)蓄電池快速無(wú)損傷充電是電動(dòng)汽車投入市場(chǎng)前必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。 1.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 我國(guó)在鎳氫電池和鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)方面均取得了快速的發(fā)展。電動(dòng)汽車其他有關(guān)的技術(shù)，近年都有巨大的進(jìn)步，如：交流感應(yīng)電機(jī)及其控制，稀土永磁無(wú)刷電機(jī)及其控制，電池和整車能量管理系統(tǒng)，智能及快速充電技術(shù)，低阻力輪胎，輕量和低風(fēng)阻車身，制動(dòng)能量回收等等，這些技術(shù)的進(jìn)步使電動(dòng)汽車日見(jiàn)完善和走向?qū)嵱没? 新能源汽車的發(fā)展方向有多種，但其中之一的氫燃料電池技術(shù)不成熟，成本昂貴，是20年之后的技術(shù)。2007年1月，汽車和動(dòng)力電池專家Menahem Anderman博士在美國(guó)參議院能源與資源委員會(huì)作證時(shí)下此結(jié)論。中國(guó)也沒(méi)有氫燃料電池反應(yīng)所必需的鉑。雖然沒(méi)有公開(kāi)申明，但據(jù)傳國(guó)家內(nèi)部決策層曾明確表示中國(guó)不適宜發(fā)展氫燃料電池汽車，只作為科研跟蹤項(xiàng)目。另外就主要采用甲醇、乙醇等低成本液體燃料的技術(shù)來(lái)說(shuō)，由于大量采用玉米、糧食作為原料，導(dǎo)致全球糧價(jià)連續(xù)上升，這也不可能成為中國(guó)的技術(shù)選擇[2]。 還有一種燃料技術(shù)清潔柴油，即含硫量低的柴油(含硫量低于350ppm的柴油)，使用能使動(dòng)力平均比汽電動(dòng)汽車油機(jī)節(jié)約30％的能源。不過(guò)因?yàn)閲?guó)內(nèi)的柴油品質(zhì)不佳，頻繁的油荒總是從柴油開(kāi)始，此外柴油得不到國(guó)家政策支持。 從技術(shù)發(fā)展成熟程度和中國(guó)國(guó)情來(lái)看，純電動(dòng)汽車應(yīng)是大力推廣的發(fā)展方向，而混合動(dòng)力作為大面積充電網(wǎng)絡(luò)還沒(méi)建立起來(lái)之前的過(guò)渡技術(shù)。今年中外車廠都先后推出了混和動(dòng)力和純電動(dòng)汽車。比亞迪先后展示了F6DM和F3DM雙模電動(dòng)車和F3e純電動(dòng)車。長(zhǎng)安與加拿大綠色電池生產(chǎn)商Electrovaya 合作，共同拓展加拿大新能源汽車市場(chǎng)，首推奔奔純電動(dòng)版。美國(guó)通用汽車公司推出了以電動(dòng)為主的Chevy Volt混合動(dòng)力車，Mini Cooper推出了其純電動(dòng)版電動(dòng)汽車。但混合動(dòng)力車動(dòng)力系統(tǒng)復(fù)雜，成本昂貴。比亞迪F3DM有兩套動(dòng)力系統(tǒng)，其公布的動(dòng)力系統(tǒng)成本增加了5萬(wàn)元，相當(dāng)于每年要節(jié)省8千元的油費(fèi)才能比傳統(tǒng)汽油車經(jīng)濟(jì)。不過(guò)混合動(dòng)力車省油有限，豐田Prius省油大致10%-20%，奇瑞A5-ISG在北京奧運(yùn)試運(yùn)期間公布的省油參數(shù)為10%?？梢运阋还P帳，假設(shè)家庭年行駛2萬(wàn)公里，汽油車百公里油耗7.5升，年油費(fèi)9450元，混合動(dòng)力車省油20%節(jié)省了1890元，無(wú)法抵消其車價(jià)成本的增加?；旌蟿?dòng)力的優(yōu)勢(shì)是保留了傳統(tǒng)汽油汽車的使用生活方式，根據(jù)汽油機(jī)和電動(dòng)機(jī)混合程度，充電次數(shù)和傳統(tǒng)汽油汽車加油次數(shù)相當(dāng)，或者不用充電。行駛距離也不受限制。 純電動(dòng)車省去了油箱、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、冷卻系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)汽車的內(nèi)燃汽油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)和控制器的成本更低，且純電動(dòng)車能量轉(zhuǎn)換效率更高。因電動(dòng)車的能量來(lái)源——電，來(lái)自大型發(fā)電機(jī)組，其效率是小型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)甚至混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)所無(wú)法比擬的。純電動(dòng)汽車因此使用成本在下降。按比亞迪F3e純電動(dòng)車公布的數(shù)據(jù)，百公里行駛耗電12度，依照0.5元的電價(jià)算，百公里使用成本才6元。而其原形車F3汽油車百公里耗油7.6升，按目前6.2元的油價(jià)，成本是46.5元。相比之下，電動(dòng)車的使用成本才是傳統(tǒng)汽油汽車的八分之一[3]。 純電動(dòng)車的缺點(diǎn)是它改變了傳統(tǒng)汽車的使用生活方式，需要每天充電。傳統(tǒng)的汽車使用習(xí)慣是大致一到兩周加一次油。而且每次出行也有幾百公里的距離限制，雖然一個(gè)家庭遠(yuǎn)距離出行可能一年就這么幾次。 在電動(dòng)汽車行業(yè)迅猛發(fā)展的同時(shí)，電動(dòng)汽車車載充電器成為電動(dòng)汽車大規(guī)模商業(yè)化后不可缺少的組成部分。目前市場(chǎng)缺乏有影響力的廠家，規(guī)模較大的供應(yīng)商包括：比亞迪、許繼電氣、奧特迅、國(guó)電南瑞、動(dòng)力源、珠海泰坦、鄭州雙新電器等。 隨著我國(guó)充電器市場(chǎng)的迅猛發(fā)展，技術(shù)工藝的優(yōu)劣直接決定企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。了解國(guó)內(nèi)外充電器生產(chǎn)核心技術(shù)的研發(fā)動(dòng)向、工藝設(shè)備、技術(shù)應(yīng)用對(duì)于企業(yè)提升產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力十分關(guān)鍵。 歐美地區(qū)對(duì)充電器管控比較嚴(yán)格，品質(zhì)要求也很高。為了確保安全，充電器會(huì)逐步要求增加電池的溫度檢測(cè)、定時(shí)關(guān)斷、過(guò)充保護(hù)、甚至電池識(shí)別等功能。加上電動(dòng)汽車新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，國(guó)外對(duì)充電器符合安規(guī)，特別是EMC方面也會(huì)更嚴(yán)格。美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的PNNL智能充電器可能會(huì)成為電動(dòng)汽車的標(biāo)準(zhǔn)充電器。它能與當(dāng)?shù)仉娏揪o密連接，可以知道當(dāng)?shù)仉娏r(jià)格，以便讓汽車在非繁忙時(shí)間充電，這樣一年可以為車主節(jié)省約150美元能源費(fèi)用，能在電網(wǎng)超負(fù)荷時(shí)自動(dòng)停止充電。 三洋電機(jī)株式會(huì)社旗下的三洋能源公司生產(chǎn)的車載智能充電器，具體地說(shuō)是用于實(shí)現(xiàn)車載插頭與萬(wàn)能充電器的連接而進(jìn)行充電，其主要采用車載插頭與萬(wàn)能充電器連接，低壓極片設(shè)置在萬(wàn)能充電器上。在萬(wàn)能充電器上分別設(shè)有USB接口、mini USB接口及擴(kuò)展接口。XtremeMac公司全新推出的iPod車用車載充電器適用于iPod所有系列，Car Charge是一款安全的iPod充電器，因?yàn)樗哂锌筛鼡Q保險(xiǎn)絲的設(shè)計(jì)，可避免因短路所造成的損害。 我國(guó)電動(dòng)汽車的相關(guān)研究工作經(jīng)過(guò)了“八五”和“九五”兩個(gè)五年計(jì)劃和863計(jì)劃項(xiàng)目的支持，特別是“十五”期間，863計(jì)劃項(xiàng)目又對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行了重點(diǎn)支持，已取得一批重大成果并正在推動(dòng)成果轉(zhuǎn)化及產(chǎn)業(yè)化，并得到國(guó)際社會(huì)的廣泛認(rèn)可。隨著鋰離予電池技術(shù)的進(jìn)步以及對(duì)鋰離子電池的認(rèn)識(shí)加深，對(duì)充電器也會(huì)不斷提出新的要求，特別是對(duì)提高充電效率方面需加強(qiáng)研究[4]。 1.4主要研究?jī)?nèi)容 每種電池都有適合自己的充電特性曲線，一般情況下充電器是不能通用的，也就是說(shuō)，針對(duì)具體的電池，需要采用相應(yīng)的充電控制策略為電池充電，這給電動(dòng)汽車補(bǔ)充能量帶來(lái)了很大的不便[5]。本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是研制一種能夠恒壓充電的車載智能充電器，這是一種最基本的充電方式。 設(shè)計(jì)要求一款電動(dòng)汽車車載充電器，充電機(jī)輸入源為220V、50Hz交流電網(wǎng)，充電機(jī)輸出端接蓄電池，蓄電池電壓范圍為200-380V，標(biāo)稱電壓值320V，充電電壓紋波<1%，輸出功率7kw。 論文的主要研究?jī)?nèi)容： ①系統(tǒng)方案分析 從設(shè)計(jì)的具體要求出發(fā)，研究確定電動(dòng)汽車車載充電器的設(shè)計(jì)方案?？傮w設(shè)計(jì)由前級(jí)Boost APFC電路和后級(jí)Buck電路組成。前級(jí)Boost APFC電路的方案設(shè)計(jì)中，對(duì)功率因數(shù)校正技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的原理分析，并進(jìn)行選型，確定最終設(shè)計(jì)方案。而在后級(jí)Buck電路的設(shè)計(jì)中，分析各種降壓型DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，分析其連續(xù)與不連續(xù)工作模式下的特點(diǎn)，并根據(jù)優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較與選型，最后得到一個(gè)理想的DC/DC降壓變換器模型。 ②功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì) 在詳細(xì)分析和研究單相有源功率因數(shù)校正原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一個(gè)大功率有源功率因數(shù)校正電路，并用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)減少功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗，最后給出電路中升壓電感等一系列重要參數(shù)的設(shè)計(jì)。 ③DC/DC降壓電路設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)出一個(gè)具有降壓功能的DC/DC變換器，使電路能夠在蓄電池工作電壓范圍內(nèi)得到穩(wěn)定的輸出電壓。并詳細(xì)寫(xiě)出電路參數(shù)的設(shè)計(jì)過(guò)程。 ④系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真 用Matlab仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真，并給出功率因數(shù)校正電路和DC/DC降壓電路的輸出電壓波形。 2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 2.1設(shè)計(jì)的基本原理 結(jié)合當(dāng)前電動(dòng)汽車電能供給的典型方式和充電電源的發(fā)展?fàn)顩r，文章設(shè)計(jì)的車載充電系統(tǒng)如圖1所示。 圖1 充電系統(tǒng)基本原理圖 整個(gè)電路主要采用AC/DC加DC/DC的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。首先通過(guò)AC/DC變換將交流電能變換為直流電能。然后利用DC/DC變換器得到所需幅值的直流輸出電壓。 在設(shè)計(jì)的電路中，首先將220V的交流市電經(jīng)過(guò)電源濾波器。電源濾波器就是對(duì)電源線中特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除的電器設(shè)備。電源濾波器的功能就是通過(guò)在電源線中接入電源濾波器，得到一個(gè)特定頻率的電源信號(hào)，或消除一個(gè)特定頻率后的電源信號(hào)。利用電源濾波器的這個(gè)特性，可以將通過(guò)電源濾波器后的一個(gè)方波群或復(fù)合噪波，變成一個(gè)特定頻率的正弦波。電源濾波器是一種無(wú)源雙向網(wǎng)絡(luò)，它的一端是電源，另一端是負(fù)載。電源濾波器內(nèi)部電路電源濾波器的原理就是一種阻抗適配網(wǎng)絡(luò)，電源濾波器輸入、輸出側(cè)與電源和負(fù)載側(cè)的阻抗適配越大，對(duì)電磁干擾的衰減就越有效。 將得到的穩(wěn)定正弦波輸送到有源功率因數(shù)校正電路。有源功率因數(shù)校正電路由整流濾波部分、功率因數(shù)校正部分、DC/DC轉(zhuǎn)換部分和控制保護(hù)電路組成。通過(guò)周期性通斷開(kāi)關(guān)，控制開(kāi)關(guān)元件的占空比來(lái)調(diào)整輸出電壓的電源變換裝置。它直接將電網(wǎng)工頻電壓經(jīng)過(guò)整流濾波為直流電壓，再經(jīng)主變換電路處理后經(jīng)輸出整流濾波，反饋電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，并把所采樣信號(hào)送到控制電路進(jìn)行放大處理，以此調(diào)節(jié)輸出的PWM脈沖占空比，最終輸出一個(gè)紋波電壓和穩(wěn)定性能均符合要求的直流電壓。 再把得到的直流電壓輸入到DC/DC變換器中。DC/DC變換器有很多種，根據(jù)設(shè)計(jì)需要選擇合適的DC/DC變換器。通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)器件的占空比得到規(guī)定幅值的直流電壓。 最后將規(guī)定幅值的輸出電壓輸送到蓄電池中，實(shí)現(xiàn)恒壓充電。 2.2設(shè)計(jì)方案與選型 2.2.1整流濾波的設(shè)計(jì)方案與選型 整流電路是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。按組成器件可分為不可控電路、半控電路和全控電路三種[6]。 ①不可控整流電路 完全由不可控二極管組成，電路結(jié)構(gòu)一定之后其直流整流電壓和交流電源電壓值的比是固定不變的。 ②半控整流電路 由可控元件和二極管混合組成，在這種電路中，負(fù)載電源極性不能改變，但平均值可以調(diào)節(jié)。 ③全控整流電路 所有的整流元件都是可控的，其輸出直流電壓的平均值及極性可以通過(guò)控制元件的導(dǎo)通狀況而得到調(diào)節(jié)，在這種電路中，功率既可以由電源向負(fù)載傳送，也可以由負(fù)載反饋給電源，即所謂的有源逆變。 由于設(shè)計(jì)采用了功率因數(shù)校正技術(shù)，整流濾波部分在整個(gè)充電器設(shè)計(jì)中屬于開(kāi)關(guān)電源的一部分，且在開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)中，整流濾波部分只起到整流作用，整個(gè)功率因數(shù)校正電路共用一套開(kāi)關(guān)管和控制電路。所以本次設(shè)計(jì)的整流濾波部分選用不可控整流電路即可。 2.2.2功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)方案與選型 設(shè)計(jì)的整流、濾波、APFC電路以及其控制電路的部分都屬于開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)。而開(kāi)關(guān)電源是采用功率因數(shù)半導(dǎo)體器件作為開(kāi)關(guān)元件，通過(guò)周期性通斷開(kāi)關(guān)，控制開(kāi)關(guān)元件的占空比來(lái)調(diào)整輸出電壓的電源變換裝置。它直接將電網(wǎng)工頻電壓經(jīng)整流濾波為直流電壓，再經(jīng)主變換電路處理后經(jīng)輸出整流濾波，反饋電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，并把所采樣信號(hào)送到控制電路進(jìn)行比較放大處理，以此調(diào)節(jié)輸出的PWM脈沖占空比，最終輸出一個(gè)紋波電壓和穩(wěn)定性能均符合要求的直流電壓。 （1）功率因數(shù)校正技術(shù)的選擇 APFC電路屬于開(kāi)關(guān)電源的功率因數(shù)校正部分。根據(jù)是否用有源器件，功率因數(shù)校正可分為無(wú)緣功率因數(shù)校正技術(shù)和有源功率因數(shù)校正技術(shù)兩大類[7]。 ①無(wú)緣功率因數(shù)校正（PPFC）技術(shù) 無(wú)緣功率因數(shù)校正技術(shù)是早期應(yīng)用的一種功率因數(shù)校正技術(shù)，通常是在電路的整流器和電容之間串聯(lián)一個(gè)濾波電感，或在交流側(cè)接入一個(gè)諧振濾波器，構(gòu)成無(wú)源濾波網(wǎng)絡(luò)，采用無(wú)功功率補(bǔ)償、無(wú)功濾波等方法抑制電路中的諧波，從而提高電路功率因數(shù)，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量。 無(wú)源校正電路通常采用無(wú)源元件電感、電容組成低通帶通濾波器，工作在交流輸入電的工作頻率，將輸入電流波形進(jìn)行了相移和整形。雖然無(wú)源功率因數(shù)校正電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是由于工作在輸入電的低頻率下，電感、電容的體積就比較大，因而組成的無(wú)緣功率因數(shù)校正電路部分的體積可能比較大，且它的補(bǔ)償特性易受電網(wǎng)阻抗、負(fù)載特性的影響。會(huì)由于和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振而造成電路元件的損壞，不能對(duì)諧波和無(wú)功功率實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，因而它只能在中小功率電源中廣泛采用。 所以這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：控制簡(jiǎn)單、效率高、可靠度高、EMI小、價(jià)格低廉。 缺點(diǎn)是：增加的無(wú)緣器件體積大，笨重且效果不好，功率因數(shù)低，對(duì)諧波的抑制效果不理想。所以很多場(chǎng)合無(wú)法滿足諧波標(biāo)準(zhǔn)的要求。 ②有緣功率因數(shù)校正（APFC）技術(shù) 有緣功率因數(shù)校正是直接采用有緣開(kāi)關(guān)或AC/DC變換技術(shù)，在整流器和負(fù)載之間接入一個(gè)DC/DC開(kāi)關(guān)變換器，應(yīng)用電流反饋技術(shù)，使輸入端電流的波形跟蹤交流輸入正弦電壓的波形，從而使電網(wǎng)輸入端的電流波形逼近正弦波，并與輸入的電網(wǎng)電壓同相位。有緣功率因數(shù)校正可得到較高的功率因數(shù)，總諧波畸變小，可在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)和寬帶下工作，體積小，重量輕，輸出電壓也可保持恒定。 它的基本思想是，通過(guò)高頻變換技術(shù)，使設(shè)備輸入端對(duì)電網(wǎng)呈現(xiàn)出電阻特性。這樣，輸入電流的波形與輸入電壓的波形就始終能夠保持一致，只要電網(wǎng)是正弦的，輸入電流也就是正弦的，沒(méi)有諧波，沒(méi)有相位差。 90年代以來(lái)，有源功率因數(shù)校正技術(shù)取得了更多進(jìn)展，國(guó)內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)都提出了一些功率因數(shù)校正的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)和新的控制方法；由于變換器工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，有源功率因數(shù)校正技術(shù)具有體積小、重量輕、效率高、功率因數(shù)可接近1等優(yōu)點(diǎn)。 因此，在現(xiàn)階段，有源功率因數(shù)校正技術(shù)已具備高性能、低成本等優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)也將采用有源功率因數(shù)技術(shù)作為最終選擇。 （2）功率因數(shù)校正拓?fù)潆娐返倪x擇 常見(jiàn)的功率因數(shù)校正器的基本電路有：Buck（降壓式）、Boost（升壓式）、Buck-Boost（降/升壓式）、Cuk和Flyback（反激式）等變換器。 這幾種PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)如下： ① Buck（降壓式）：只能實(shí)現(xiàn)降壓功能，輸入電流不連續(xù)，噪聲（紋波）大，濾波困難，開(kāi)關(guān)管上電壓壓力大。 ② Flyback（反激式）：輸入、輸出之間隔離，輸出電壓可以任意選擇，輸入簡(jiǎn)單電壓型控制器，適合于150W一下的功率要求。 ③ Buck-Boost（降/升壓式）：需要兩個(gè)電子開(kāi)關(guān)，用一個(gè)開(kāi)關(guān)控制驅(qū)動(dòng)，電路比較復(fù)雜，一般只應(yīng)用在中小功率輸出的場(chǎng)合。 ④ Boost（升壓式）：電感電流連續(xù)，電流畸變率小，儲(chǔ)能電感可作濾波器抑制RFI（射頻干擾）和EMI（電磁干擾）噪聲，并可防止電網(wǎng)對(duì)主電路的高頻瞬態(tài)沖擊，輸出電壓高于輸入電壓峰值，電源允許的輸入電壓范圍擴(kuò)大，通?？梢赃_(dá)到（90-270）V；輸出電壓可以達(dá)到400V，提高了電源的適應(yīng)性。控制簡(jiǎn)單，適用于大功率場(chǎng)合的要求，應(yīng)用最為普遍。 通過(guò)比較，鑒于Boost型電路在大功率電源中的眾多優(yōu)點(diǎn)，Boost升壓結(jié)構(gòu)適合我們作為大功率開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)要求，是我們最終選擇的方案。 基本原理圖如圖2所示。 圖2 Boost升壓拓?fù)潆娐? 只要開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通，電感中就有電流通過(guò)，且電流逐漸增大，電感儲(chǔ)能；當(dāng)S關(guān)斷時(shí)，交流電源和儲(chǔ)能電感一起通過(guò)二極管D向電容和負(fù)載供電，這樣只要通過(guò)對(duì)S的控制，就可以使得在任何時(shí)間內(nèi)，輸入端都有電流流過(guò)。如果控制得當(dāng)，就可以使輸入電流呈正弦形狀，且與輸入電壓同相位。 2.2.3功率因數(shù)校正控制方式的設(shè)計(jì)方案與選型 （1）經(jīng)典控制方式 控制電路根據(jù)電感電流是否連續(xù)可分為不連續(xù)導(dǎo)電模式DCM和連續(xù)導(dǎo)電模式CCM兩種控制方式。 DCM控制模式功率因數(shù)與輸入和輸出電壓的比值有關(guān)，當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，功率因數(shù)也將發(fā)生變化；輸入電流紋波較大，峰值電流遠(yuǎn)高于平均電流，而且開(kāi)關(guān)器件承受較大的應(yīng)力，導(dǎo)致導(dǎo)通損耗和成本增加，只適合用在小功率場(chǎng)合。 CCM控制模式輸入電流紋波小，THD和EMI小，對(duì)輸入濾波器的要求小，輸入電流峰值小，對(duì)器件的應(yīng)力要求就小，相應(yīng)減小了器件的導(dǎo)通損耗，適用于大功率應(yīng)用。 從上面的分析對(duì)比中可以看出，CCM模式在大功率應(yīng)用場(chǎng)合具有相對(duì)較大的優(yōu)勢(shì)，所以此系統(tǒng)Boost-APFC電路選擇工作在CCM模式下。 采用CCM工作模式，就需要使用乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)PFC，當(dāng)采用乘法器控制時(shí)，由于輸入電流總帶有一些開(kāi)關(guān)頻率的紋波，因此必須決定反饋哪個(gè)電流，因此產(chǎn)生了三種經(jīng)典的電流控制方式，即電流峰值控制、電流滯環(huán)控制和平均電流控制。這三種控制方式的基本特點(diǎn)如表1所示。 表1 三種經(jīng)典的電流連續(xù)控制方式 控制方式 檢測(cè)電流 開(kāi)關(guān)頻率 工作模式 對(duì)噪聲 使用拓?fù)? 備注 電流峰值 開(kāi)關(guān)電流 恒定 CCM 敏感 Boost 需斜率補(bǔ)償 電流滯環(huán) 電感電流 變頻 CCM 敏感 Boost 需邏輯補(bǔ)償 平均電流 電感電流 恒定 任意 不敏感 Boost 需電流誤差放大器 峰值電流控制（PCMC）和滯環(huán)電流控制（HCC）實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，但這兩種控制方式與平均電流控制方式相比，都具有很明顯的缺點(diǎn)，如果電流峰值和平均值之間存在誤差，無(wú)法滿足THD很小的要求；占空比大于0.5時(shí)系統(tǒng)易產(chǎn)生諧波振蕩；開(kāi)關(guān)頻率在一個(gè)工頻周期內(nèi)不恒定，引起電磁干擾和電流過(guò)零點(diǎn)的死去；負(fù)載對(duì)開(kāi)關(guān)頻率影響很大，濾波器只能按最低頻率設(shè)計(jì)等缺點(diǎn)。因此大大影響了其在APFC電路中的應(yīng)用，其中峰值電流控制方式已趨于淘汰。 平均電流控制方式比其他兩種控制方式相比：開(kāi)關(guān)頻率恒定；THD較小，電感電流峰值與平均值之間的誤差??；跟蹤誤差小，瞬態(tài)特性較好；對(duì)噪聲不敏感，適用于大功率場(chǎng)合應(yīng)用。但是也存在著自身的缺點(diǎn)，控制電路復(fù)雜，接口設(shè)計(jì)繁瑣。 （2）目前主流控制方式 20世紀(jì)90年代初由美國(guó)加州大學(xué)的Smedley K.M.博士提出的一種大信號(hào)、非線性PWM單周期控制方式，以其抗擾動(dòng)性能好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，控制方式簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)逐漸占領(lǐng)了功率因數(shù)校正技術(shù)的主導(dǎo)地位[8]。 其控制思想是：通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的占空比，使每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中開(kāi)關(guān)變量的平均值嚴(yán)格等于或正比于控制參謀量。隨著控制技術(shù)的發(fā)展單周期的概念有所擴(kuò)展，這種控制的最大特點(diǎn)是能在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)有效抵制電源側(cè)的擾動(dòng)，這種控制技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于非線性系統(tǒng)的場(chǎng)合，比如脈沖調(diào)制、諧振、軟開(kāi)關(guān)的變換器等。 單周期控制Buck變換器原理圖[9]如圖3所示。 圖3 單周期控制Buck變換器原理圖 假定輸出電壓，開(kāi)關(guān)頻率為常數(shù)。工作原理如下：當(dāng)開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通時(shí)，二極管截止，其兩端電壓為零。因此一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)二極管上的電壓為： 電路開(kāi)始工作時(shí)，由控制器產(chǎn)生恒定頻率的開(kāi)關(guān)脈沖，開(kāi)通開(kāi)關(guān)S，二極管上的電壓經(jīng)記分器開(kāi)始積分，當(dāng)積分器的輸出電壓，達(dá)到給定值，比較器輸出翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)器發(fā)出關(guān)斷信號(hào)關(guān)斷開(kāi)關(guān)S，同時(shí)發(fā)出復(fù)位信號(hào)使實(shí)時(shí)積分器復(fù)位為零。 由上可以得出： 在單周期控制中，占空比D由下式?jīng)Q定： （2-1） 采用單周期控制時(shí)，電壓的平均值在每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)都與完全相同，并且與輸入電壓的大小無(wú)關(guān)。采用單周期控制系統(tǒng)完全抑制了輸入電壓的干擾，具有良好的直流電壓調(diào)節(jié)特性，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率足夠高時(shí)，系統(tǒng)可以得到高質(zhì)量的直流輸出電壓。 可以將單周期控制思想擴(kuò)展為通用的理論，對(duì)各種類型的開(kāi)關(guān)變換器都可以用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)。 在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以選擇單周期控制技術(shù)的芯片來(lái)代替控制電路，比如英飛凌的ICE2PCS01和IR的IR1150S芯片等。雖然IR1150S無(wú)論在管腳功能和使用方式上都同ICE1PCS01極為相似。不過(guò)IR1150S簡(jiǎn)化了電流環(huán)，可直接使用簡(jiǎn)單濾波后的電感電流檢測(cè)值來(lái)工作，無(wú)需電流環(huán)補(bǔ)償電容。所以本文將采用單周期控制方式的控制芯片IR1150S對(duì)功率因數(shù)校正電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。 2.2.4 DC/DC電路 DC/DC變換器是指能將一定幅值的直流輸入電壓（或電流）變換成一定幅值的直流輸出電壓（或電流）的電力電子裝置，主要應(yīng)用于直流電壓變換（升壓、降壓、升降壓等）、開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)等場(chǎng)合。DC/DC變換是將原直流電通過(guò)調(diào)整其PWM（占空比）來(lái)控制輸出的有效電壓的大小。 DC/DC轉(zhuǎn)換器又可以分為硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)兩種[11]。 ①硬開(kāi)關(guān)（Hard Switching） 硬開(kāi)關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)器件是在承受電壓或流過(guò)電流的情況下，開(kāi)通或關(guān)斷電路的，因此在開(kāi)通或關(guān)斷過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生較大的交疊損耗，即所謂的開(kāi)關(guān)損耗。當(dāng)轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)一定時(shí)開(kāi)關(guān)損耗也是一定的，而且開(kāi)關(guān)頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗越大，同時(shí)在開(kāi)關(guān)過(guò)程中還會(huì)激起電路分布電感和寄生電容的振蕩，帶來(lái)附加損耗，因此，硬開(kāi)關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率不能太高。 ②軟開(kāi)關(guān)（Soft Switching） 軟開(kāi)關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)管，在開(kāi)通或關(guān)斷過(guò)程中，或是加于其上的電壓為零，即零電壓開(kāi)關(guān)（Zero-Voltage-Switching，ZVS），或是通過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流為零，即零電流開(kāi)關(guān)（Zero-Current·Switching，ZCS）。這種軟開(kāi)關(guān)方式可以顯著地減小開(kāi)關(guān)損耗，以及開(kāi)關(guān)過(guò)程中激起的振蕩，使開(kāi)關(guān)頻率可以大幅度提高，為轉(zhuǎn)換器的小型化和模塊化創(chuàng)造了條件。 所以在車載充電器的設(shè)計(jì)中選用軟開(kāi)關(guān)。 理論上，按其變換功能可將DC/DC變換器分為降壓型DC/DC變換器（Buck變換器）、升壓型DC/DC變換器（Boost變換器）、升-降壓型DC/DC變換器（Boost-Buck變換器）和降-升壓型DC/DC變換器（Buck-Boost變換器）四種基本類型。然而在工程上，依據(jù)DC/DC變換器是否需要電器隔離，又可將其分為有變壓器的隔離型DC/DC變換器和無(wú)變壓器的非隔離性DC/DC變換器。 由于設(shè)計(jì)的DC/DC變換器只需實(shí)現(xiàn)降壓功能，所以將對(duì)具有降壓功能的DC/DC變換器[10]進(jìn)行選型。 （1）Buck變換器 Buck變換器電路輸出電壓的平均值低于輸入直流電壓。電路圖如圖4所示。 圖4 Buck變換器電路圖 該電路使用一個(gè)全控型器件T，圖中為IGBT，也可使用其他器件。 根據(jù)電感電流是否連續(xù)，Buck變換器有三種工作模式，分別為連續(xù)導(dǎo)電模式、不連續(xù)導(dǎo)電模式和臨界狀態(tài)。電感電流連續(xù)是指輸出濾波電感L的電流總大于零，電感電流斷續(xù)是指在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷期間有一段時(shí)間流過(guò)電感的電流為零。在這兩種工作模式之間有一個(gè)工作邊界，稱為電感電流臨界連續(xù)狀態(tài)，即在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷期末，濾波電感的電流剛好降為零。他們工作波形有較大差異。 由此可見(jiàn)，T一周期中導(dǎo)通時(shí)間愈長(zhǎng)，向電感轉(zhuǎn)移的能量愈多，向負(fù)載轉(zhuǎn)移的能量也愈多，即輸出電壓愈高。所以控制開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通占空比可控制輸出電壓。 其工作波形如圖5所示。 （a）buck電路連續(xù)工作模式 ；（b）buck電路不連續(xù)工作模式 圖5 buck變換器工作波形 T導(dǎo)通時(shí)，電感電壓，在該電壓的作用下，電感電流線性增長(zhǎng)，電感儲(chǔ)能增加。 T關(guān)斷且電流連續(xù)時(shí)，電感電壓，在該電壓的作用下，電感電流線性下降，電感儲(chǔ)能減少。 T關(guān)斷且電流斷續(xù)時(shí)，電感電壓，電容向負(fù)載供電。 Buck變換器的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單；控制特性好；負(fù)載側(cè)電流波動(dòng)小。 缺點(diǎn)是電源側(cè)電流波動(dòng)大；只能降壓，不能升壓。 （2）Buck-Boost變換器 Buck-Boost變換器電路如圖6所示。 圖6 Buck-Boost變換器電路圖 通過(guò)控制T通斷來(lái)控制電源向負(fù)載轉(zhuǎn)移電能。 T導(dǎo)通時(shí)，，電感電流線性增加，電感儲(chǔ)能增加，電源向電感轉(zhuǎn)移電能。 T斷開(kāi)時(shí)，，電感電流減少，電感儲(chǔ)能減少，電感儲(chǔ)能向負(fù)載轉(zhuǎn)移電能。 其工作波形如圖7所示。 （a）boost電路連續(xù)工作模式 ；（b）boost電路不連續(xù)工作模式 圖7 boost變換器工作波形 Buck-Boost變換器的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單；既能升壓，也能降壓。 缺點(diǎn)是電源側(cè)、負(fù)載側(cè)電流波動(dòng)大。 （3）Cuk變換器 Cuk變換器電路如圖8所示。 圖8 Cuk變換器電路圖 通過(guò)控制T通斷來(lái)控制電源向負(fù)載轉(zhuǎn)移電能。T長(zhǎng)期斷開(kāi)時(shí)，輸出電壓。 T導(dǎo)通時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，電感電流將趨于無(wú)限大，此時(shí)斷開(kāi)T，將有無(wú)窮大能量轉(zhuǎn)移到負(fù)載，輸出電壓也將趨于無(wú)限大。 其工作波形如圖9所示。 （a）Cuk電路連續(xù)工作模式 ；（b）Cuk電路不連續(xù)工作模式 圖9 Cuk變換器工作波形 Cuk變換器的優(yōu)點(diǎn)是既能升壓，也能降壓；電源側(cè)、負(fù)載側(cè)電流波動(dòng)小。 缺點(diǎn)是電路稍復(fù)雜；電容充放電電流波動(dòng)大。 （4）單端正激變換器 正激變換器電路如圖10所示。 圖10 正激變換器電路圖 單端正激變換器由Buck變換器派生而來(lái)。在Buck變換器上插入一個(gè)隔離變壓器，即得到如圖7所示的單端正激變壓器。 單端正激變壓器電壓增益與開(kāi)關(guān)導(dǎo)通占空比成正比，這與Buck變換器類似，不同的是比后者多了一個(gè)變壓器變比。在實(shí)際的正激變換器中，必須考慮隔離變壓器激磁電流的影響，否則鐵心中存儲(chǔ)的能量將使變壓器不能正常工作。 單端正激電路的優(yōu)點(diǎn)：增大了電壓的輸出范圍；加大了電路抗干擾的能力。 缺點(diǎn)是：變壓器有漏感；磁芯利用率不高，且很容易飽和。 （5）單端反激變換器 反激變換器電路如圖11所示。 圖11 反激變換器電路圖 單端反激變換器由Buck-Boost變換器派生而來(lái)。和Buck-Boost變換器相比較可知，反激變換器用變壓器代替了升降壓變換器中的儲(chǔ)能電感。因此，這里的變壓器除了起輸入電隔離作用外，還起儲(chǔ)能電感的作用。 反激變換器在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)電源將電能轉(zhuǎn)為磁能儲(chǔ)存在變壓器中，當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)再將磁能變?yōu)殡娔軅魉偷截?fù)載。 單端反激電路的優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)移到負(fù)載側(cè)的能量由原邊電壓、等效電感、IGBT開(kāi)通時(shí)間決定，與負(fù)載無(wú)關(guān)。很適合于高壓小功率變換電路。 缺點(diǎn)是：變壓器有漏感；磁芯利用率不高，且很容易飽和。 （6）隔離型Cuk變換器 隔離型Cuk變換器如圖12所示。 圖12 隔離型Cuk變換器電路圖 Cuk變換器只能提供一個(gè)反極性、不隔離的單一輸出電壓，在要求有不同的輸出電壓和不同極性的多組輸出時(shí)，特別要求輸入、輸出之間電氣隔離時(shí)，就需要加入隔離變壓器。 隔離型Cuk變換器的工作原理是與Cuk型變換器相同的。它的顯著特點(diǎn)是變壓器的原、副邊繞組均無(wú)直流流過(guò)，這是由于電容、隔直流的緣故。這樣磁芯是兩個(gè)方向磁化的，不需要加氣息，體積可以做得較小。與其他只有一個(gè)開(kāi)關(guān)管的單端電路相比，變壓器體積小一半，而且繞組面積減小，銅耗也減小。而且Cuk型變換器的輸入、輸出電流都是連續(xù)的，具有較小的紋波分量。 但是隔離型Cuk變換器仍然存在隔離型DC/DC的缺陷。 （7）橋式變換器 橋式變換器由四個(gè)功率晶體管組成。相對(duì)于半橋而言，功率晶體管及驅(qū)動(dòng)裝置個(gè)數(shù)要增加1倍，成本較高，但可用在要求功率較大的場(chǎng)合。 橋式變換器主回路如圖13所示。橋?qū)堑膬蓚€(gè)功率晶體管作為一組，每組同時(shí)接通或斷開(kāi)（也可其他方式），兩組開(kāi)關(guān)輪流工作，在一周期中的短時(shí)間內(nèi)，四個(gè)開(kāi)關(guān)管將均處于斷開(kāi)狀態(tài)。四個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通（或關(guān)斷）占空比值均相等。 圖13 橋式變換器電路圖 橋式變換器的優(yōu)點(diǎn)：主變壓器只需要一個(gè)原邊繞組，通過(guò)正、反向的電壓得到正、反向磁通，副邊有一個(gè)中心抽頭繞組采用全波整流輸出。因此，變壓器鐵心和繞組的最佳利用，使效率、功率密度得到提高。功率開(kāi)關(guān)在非常安全的情況下運(yùn)作。在一般情況下，最大的反向電壓不會(huì)超過(guò)電源電壓Vs，四個(gè)能量恢復(fù)（再生）二極管能消除一部分由漏感產(chǎn)生的瞬間電壓。這樣無(wú)須設(shè)置能量恢復(fù)繞組，反激能量便得到恢復(fù)利用。 　　 缺點(diǎn)：需要功率元件較多。在導(dǎo)通的回路上，至少有兩個(gè)管壓降，因此功率損耗也比雙晶體管推挽式變換器1倍。但是在高壓離線開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)中，這些損耗還是可接受的。另外，能量恢復(fù)（再生）方式，由于有四個(gè)二極管，損耗略有增加。 以上是對(duì)具有降壓功能的DC/DC變換器的分析?；究梢苑譃椴粠Ц綦x變壓器和帶隔離變壓器兩大類。后者可以將電源和負(fù)載隔離，加大了安全性，但是隔離型損耗比較大。由于設(shè)計(jì)電路的輸入電壓與輸出電壓都不較大，所以不必采用損耗比較大的隔離型DC/DC。而在非隔離性DC/DC中，雖然有即可升壓也可降壓的DC/DC，但是電路較復(fù)雜。而設(shè)計(jì)的車載充電器只需要降壓，所以選用電路簡(jiǎn)單的Buck變換器即可。 3前級(jí)Boost APFC電路設(shè)計(jì) 3.1 Boost APFC主電路的硬件設(shè)計(jì) 3.1.1功率因數(shù)的定義 首先假定交流輸入電壓為無(wú)畸變的標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓，即： （3-1） 這里所講的功率因數(shù)（PF）是指被有效利用功率的百分比，與電工理論中的并非同一概念，后者表示的是正弦電壓與基波電流之間的相角差。而PF的定義則為： （3-2） 式中：為基波有功功率，V和I分別為輸入電壓、電流的有效值。 設(shè)輸入電流表達(dá)式為： （3-3） 則電流的有效值為： （3-4） 式中：、、分別表示輸入電流的基波分量和各次諧波分量。 那么， （3-5） 定義為畸變因數(shù)；為輸入相電壓與基波相電流之間的位移因數(shù)。因此，功率因數(shù)的嚴(yán)格定義應(yīng)為畸變因數(shù)與基波位移因數(shù)的乘積，即： （3-6） 可見(jiàn)輸入電流除了基波分量外，還含有大量的諧波。諧波電流使電力系統(tǒng)的電壓波形發(fā)生畸變，將各次諧波有效值與基波有效值的比值稱為總諧波畸變率THD，其定義為： （3-7） 式中：為所有諧波電流分量的有效值。 THD用來(lái)衡量電網(wǎng)的污染程度，是表征諧波電流含量多少的一個(gè)重要參數(shù)。由畸變因數(shù)γ的定義和上式子可得： （3-8） 所以功率因數(shù)PF也可以寫(xiě)成： （3-9） 所以可以得到：當(dāng)一定時(shí)，THD越大，功率因數(shù)也就越低。因此，提高功率因數(shù)也就應(yīng)該從減小基波電壓、電流之間的相位角差和總諧波畸變率THD兩方面入手。從這個(gè)角度看，可以說(shuō)諧波的抑制電路就是功率因數(shù)校正電路[12]。 3.1.2主電路參數(shù)設(shè)計(jì) Boost APFC電路主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖14所示。 圖14 Boost APFC電路主電路圖 ①最大輸入功率和輸入電流計(jì)算 在正常的工作效率下，變換器的最大輸入功率為： 當(dāng)輸入電壓最低時(shí)，輸入電流的最大有效值為： 輸入電流最大峰值為： 輸入電流的最大平均值為： ②輸入電容的選取 輸入端的高頻電容主要來(lái)濾除輸入的高頻噪音和改善輸入紋波，計(jì)算如下： 其中是電流紋波系數(shù)（取20%），r是最大高頻電壓紋波系數(shù)，取6%。 所以選取、630V的薄膜電容。 ③電感量大小的選?。? 在輸入電壓最低，輸入電流峰值的時(shí)候占空比有最大值： 電流紋波為20%峰值電流： 電感電流峰峰值為： 升壓電感： 選磁芯形狀和尺寸： 根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，選EE形鐵氧體3C90磁芯材料。，單線圈。 其中為窗口面積，為磁芯有效截面積，L為Boost電感，為最大峰值電流，為最大有效值電流。 根據(jù)手冊(cè)，我們最后選取EE85B，，可以滿足要求。 電感線圈匝數(shù)的計(jì)算： 取氣隙，由公式可以計(jì)算匝數(shù)： 取N=34匝。 導(dǎo)線截面積的選?。? 導(dǎo)線的電流速度一般300-500，這里去電流密度按有效值，最大電流有效值為19.4，故導(dǎo)線截面積為： 我們選取的銅導(dǎo)線。 ④輸出電容的選取 在功率因數(shù)校正變換器中，輸出電容設(shè)計(jì)主要考慮維持時(shí)間，一般取30ms。那么輸出電容為： 這里為輸出電壓最小值，一般取300V。故輸出電容選用3400，500V的電解電容。 ⑤開(kāi)關(guān)器件的選擇 主開(kāi)關(guān)管的選擇，主開(kāi)關(guān)管的選擇應(yīng)考慮電流有效值的1.5-2倍的裕量，電壓應(yīng)為輸出電壓的1.5-2倍的裕量。經(jīng)前面的計(jì)算，功率管采用APT5010LFLL，耐壓500V，最大正向通態(tài)電流46A。續(xù)流二極管選用RURG5060超快恢復(fù)二極管，耐壓600，正向額定電流50A。整流橋選用KBPC5010F。 3.2 Boost APFC控制電路的硬件設(shè)計(jì) 3.2.1單周期控制Boost PFC電路的工作原理 （1）單周期控制的基本原理 當(dāng)開(kāi)關(guān)S的開(kāi)關(guān)周期恒定時(shí)，工作過(guò)程可用如下開(kāi)關(guān)函數(shù)來(lái)表示： （3-10） 式中，是開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間；是開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)間；滿足，開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)通過(guò)開(kāi)關(guān)斬波，輸出信號(hào)的頻率和脈寬與開(kāi)關(guān)函數(shù)一致，而的包絡(luò)線與一致，開(kāi)關(guān)S的輸出量與輸入量的關(guān)系為： （3-11） 假設(shè)開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)高于輸入信號(hào)和控制信號(hào)的帶寬頻率，對(duì)于傳統(tǒng)的控制而言，占空比由控制信號(hào)線性調(diào)制而成，那么得到開(kāi)關(guān)的輸出信號(hào)為： （3-12） 因此，對(duì)于傳統(tǒng)的電壓反饋控制，開(kāi)關(guān)的輸出信號(hào)是輸入信號(hào)和控制信號(hào)的乘積，的變化，必然導(dǎo)致的變化。而對(duì)于采用占空比的非線性調(diào)制，如果調(diào)制開(kāi)關(guān)的占空比使每個(gè)周期開(kāi)關(guān)輸出端斬波波形的積分值恰好等于控制信號(hào)的積分值，即： （3-13） 那么在每個(gè)周期開(kāi)關(guān)輸出端斬波波形的平均值恰好等于控制信號(hào)的平均值，即： （3-14） 因此，在一個(gè)周期內(nèi)，輸出信號(hào)能及時(shí)被控制。 （3-15） 根據(jù)這個(gè)概念來(lái)控制開(kāi)關(guān)的技術(shù)被定義為單周期控制技術(shù)，這時(shí)開(kāi)關(guān)的有效輸出信號(hào)為： （3-16） 開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)完全抑制了輸入信號(hào)的影響，線性再現(xiàn)了控制信號(hào)。因此，通過(guò)單周期控制，將一個(gè)非線性開(kāi)關(guān)變?yōu)橐粋€(gè)線性開(kāi)關(guān)。 （2）單周期控制Boost PFC電路的工作原理 選擇的單相功率因數(shù)校正電路，如圖15所示。 圖15 單周期控制Boost變換器原理圖 對(duì)于單周期控制PFC Boost變換器，有： （3-17） 為使功率因數(shù)校正至1，希望有： （3-18） 式中，為Boost變換器輸入等效電阻。 根據(jù)式（3-17）和式（3-18），且令，可得： （3-19） 式中，為電流的采樣電阻；為電壓環(huán)調(diào)節(jié)器輸出。將式（3-17）帶入式（3-19），可以得到占空比D的控制目標(biāo)： （3-20） 從式（3-19）看到總是跟隨，從而變換器的入端阻抗等效為一個(gè)電阻，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正。式（3-20）可以采用單周期控制策略實(shí)現(xiàn)控制。 如圖13所示，圖為實(shí)現(xiàn)占空比控制目標(biāo)的單周期控制器。在每一周期內(nèi)，與相對(duì)應(yīng)的積分器輸出，當(dāng)時(shí)，比較器輸出為1，即RS觸發(fā)器的R端置位；Q=1，積分器復(fù)位（）。 3.2.2 單周期控制Boost PFC變換器穩(wěn)定性分析 用狀態(tài)空間平均法對(duì)其進(jìn)行建模[13]，先作如下假設(shè)： ①變換器工作在電流連續(xù)狀態(tài)； ②功率開(kāi)關(guān)管和二極管均為理想器件，功率開(kāi)關(guān)管輸出電容和二極管電容均忽略不計(jì)，只考慮電感串聯(lián)等效電阻。 Boost變換器開(kāi)關(guān)模態(tài)圖如圖16所示，圖中電流方向?yàn)閰⒖挤较颍噪姼须娏?、電容電壓為狀態(tài)變量建立狀態(tài)方程。 （a）boost變換器開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通 ；（b）boost變換器開(kāi)關(guān)管關(guān)斷 圖16 boost變換器開(kāi)關(guān)模態(tài) 當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電感電壓、電流關(guān)系式如下： （3-21） 當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，電感電壓、電流關(guān)系式如下： （3-22） 由式（3-21）和式（3-22）可以得到其平均動(dòng)態(tài)方程： （3-23） 同理有下列方程成立： （3-24） 由式（3-23）和（3-24）可得Boost變換器的平均動(dòng)態(tài)模型，寫(xiě)成矩陣如下所示： （3-25） 對(duì)單周期控制Boost PFC的控制目標(biāo)方程式（3-20）中，并進(jìn)行小信號(hào)化，在直流工作點(diǎn)附近做小信號(hào)擾動(dòng)。 在式（3-20）中有：，，，帶入原式，并進(jìn)行小信號(hào)化，可以得到在直流工作點(diǎn)附近小信號(hào)擾動(dòng)如下所示： 帶入式（3-20）得： 將上式展開(kāi)，刪去穩(wěn)態(tài)分量，略去二階無(wú)窮小即可得到下式： （3-26） 將式（3-25）小信號(hào)化，再將式（3-26）帶入可以得到單周期控制Boost PFC閉環(huán)小信號(hào)模型： （3-27） 令： （3-28） 其中： 矩陣A的特征值是方程： （3-29） 若其根在左平面，則方程是穩(wěn)定的。而： 是恒成立的，也就是根恒在左平面，所以單周期控制的Boost PFC變換器是穩(wěn)定的。 3.2.3 Boost PFC電路數(shù)學(xué)模型的建立 假設(shè)能量傳輸效率100%，根據(jù)能量守恒，輸出功率等于輸入功率。有，為二端口網(wǎng)絡(luò)輸入等效電阻。調(diào)制電壓，那么： （3-30） 整理得： （3-31） 對(duì)上式各變量求導(dǎo)， （3-32） 因?yàn)? （3-33） 整理得： （3-34） （3-35） 因?yàn)? （3-36） 帶入，則： （3-37） 設(shè)，，，原式可以寫(xiě)為： （3-38） 根據(jù)式（3-38）得到小信號(hào)模型如圖17所示。 圖17 單周期控制的Boost電路小信號(hào)模型 （3-39） 把式（3-39）帶入式（3-37），得： （3-40） ，即為整流器的極點(diǎn)角頻率。 （3-41） 為誤差放大器