高性能車載充電機硬件電路設計

王平來,李小偉,張立功

（1.山東省汽車電子重點實驗室；2.山東省科學院自動化研究所,濟南 250014）

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、功率因數高、效率高等特點。本文根據上述特點，設計了一款2kw的車載充電機。

有源功率因數校正電路（APFC）能有效抑制諧波，提高功率因數。而軟開關技術能有效提高充電機的效率。本文將二者結合在一起，設計了一款高性能指標的車載充電機，并進行了波形測試及實驗驗證。

1 車載充電機硬件拓撲結構及原理

1.1 APFC拓撲及原理

功率因數校正有多種拓撲電路，比如boost、buck、buckfly等電路。本文采用BOOST電路拓撲，如圖1所示，因其電流連續、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。

狀態分析：當S通、VD斷時，假設此狀態持續時間為T1，可得到狀態方程，解得，其中為第K時刻的輸入電壓值。當S斷、VD通時，假設此狀態持續時間為t2，可得狀態方程，解得：。當S斷、VD斷時，假設此狀態持續時間為t3，得狀態方程。由上述公式可知，是跟隨輸入電壓變化的半波正弦函數，如圖2所示，其相位基本相同且輸入電流波形近乎正弦波，所以功率因數接近于1。

當電感電流臨界連續時，t3=0，可知電感電流的包絡線仍為半波正弦函數形式。弱電感電流連續，則表現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。

圖1 APFC拓撲結構

圖2 平均電流控制的電感電流

1.2 逆變整流拓撲及原理

逆變電路采用副邊無源鉗位軟開關移相全橋拓撲結構，如圖3所示S1、S3為超前臂，S2、S4為滯后臂。其軟開關的實現，超前臂的零電壓開關依靠變壓器漏感和超前臂的并聯電容實現，滯后臂的零電流開關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電流復位到零實現。此種軟開關結構，所需器件簡單，不需要額外有源元件等優點。

圖3 逆變整流主回路

2 主回路參數設計

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APFC電路得到400V直流母線電壓，開關頻率fs取50KHZ。

（1）apfc電感設計。1）輸入電流峰值的最大值確定：電感應當在最大電流時避免飽和。交流輸入電壓最小時，其峰值能達到最大，再考慮到期效率假設為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：經過試驗，調整為1mh。

（2）主變壓器的設計。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，一般取0.2-0.4；Kf為波形系數，方波為4；3）原邊繞組匝數選擇；4）副邊匝數選擇

（3）鉗位電容的設計。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力；二是超前臂關斷后，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，實現滯后臂的零電流開關。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：最終經過試驗選擇容值為200nf。

3 實驗波形及結果分析

圖4中藍色為超前上橋臂驅動波形，黃色為超前上DS間波形，由上圖可知超前臂實現了零電壓開通關斷；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，滯后臂基本實現了零電流開通關斷。

圖4 實驗結果波形

4 結束語

隨著電力電子技術的不斷發展，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展的趨勢。本文研究了帶有源功率因數校正的移相全橋軟開關車載充電機，對其工作原理和性能做了分析并對樣機進行了實驗，證明了充電機的可行性和有效性。

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