充电模式3 - 电源设计指南：拓扑结构（三）

4.3    充电模式3

    这是一种快速充电模式，主要针对长距离旅行情况进行充电。充电器对应高功率特性（>100kW），主要用于一些固定的充电站。对于100kW的功率等级，充电时间约为15min。为提高功率因数，降低输入电网谐波，变换器输入端一般需要采用有源整流电路，如图15所示。可以采用不同的控制方案，包括矢量控制，六阶梯波控制，数字控制技术等[11]。

图15    有源输入整流电路

    为了进一步提高变换效率，允许高频工作，可以采用如图16所示的ZVT电路。利用辅助电路实现了主开关器件的ZVT，主开关仍为PWM控制。

图16    ZVT三相Boost整流输入电路

    如前所述，高功率充电模式通常只在充电站使用。因为，充电站可能会装有多个充电器，每个充电器均采用单独的整流级必然会使系统体积庞大，成本大大增加。为简化系统设计，可为整个充电站配备一个专门的PFC或谐波补偿变换器，从而充电主电路，都连接在同一个有源输入整流电路上，如图17所示。

图17    配备专门的PFC或谐波补偿器的充电器系统主电路结构

    有源滤波器定额约为充电站额定功率定额的20％。在整流端一般采用直流侧电感来提高整流器的功率因数，可以选用串联或并联方式的有源滤波方案。

    有源滤波器可以采用传统硬开关PWM逆变器电路，或采用软开关逆变器，从而工作在更高开关频率，提高控制带宽，对更高阶的谐波进行补偿。谐振直流环节变换器比较适合于在较宽中功率范围逆变器场合下工作。图18给出了有源箝位谐振直流环节逆变器功率电路。

图18    有源嵌位谐振直流环节逆变器功率电路

    与传统PWM变换器不同的是，谐振直流环节逆变器采用离散脉冲调节（DPM，Discrete Pulse Modulation）控制，开关频率较高，所需的滤波器尺寸较小。此外，由于dv/dt得以控制，所产生的EMI较小。

    与充电模式2类似，充电变换器可以直接采用全桥或带谐振的全桥变换器。但是，由于充电模式3功率级更高，与谐振式全桥变换器相比，一般的全桥变换器必然会对应很高的峰值电流。因此，应当考虑采用ZVS或ZCS谐振全桥拓扑来有效降低损耗。

    如前所述，串并联全桥谐振型变换器是可选拓扑，它满足了感应耦合充电变换器的所有设计考虑，并且完全利用了感应耦合器的等效电路元件。根据功率器件性能差异，可分别选择ZVS或ZCS方案。

    对于高功率等级和高频场合，具有相对较小导通损耗和高频能力的IGBT具有较大的吸引力。由于感应耦合器优化设计的频率范围为70～300kHz，因此，需要软开关技术来优化IGBT的性能。文献[10]中结果表明：在ZVS情况下，IGBT关断损耗仍然较大，管芯温度较高；而ZCS可使得IGBT在ZCS情况下关断，减小了关断损耗，使IGBT能够更好地用于高开关频率下。

    为了进一步降低器件电流应力，减小传输电缆的尺寸和重量，可以采用较高电平的总线电压。此时感应耦合器可以采用2∶1的匝比。从而当副边采用4匝时，原边要采用8匝。对于400V的电池电压，直流总线电压至少必须为DC800V，此时必须采用定额为1200V/400A的IGBT。

5    结语

    本文根据SAEJ-1773对感应耦合器的规定，对电动汽车供电电池的充电器进行了讨论。根据感应耦合器的标准及不同的充电模式，确定了与感应耦合器相匹配的充电器的几种设计方案，对适合不同充电模式的电路拓扑进行了选择。最后给出了分别适合于不同充电等级的备选变换器拓扑方案。

二、中高压变频器主电路拓扑结构的分析比较

摘要：对中高压变频器几种常见的主电路拓扑结构进行了分析比较，对不同电路结构的中高压变频器的可靠性、冗余设计、谐波含量及dv/dt等指标进行了深入的讨论，并对中高压变频器的发展方向提出了自己的看法。

1前言

众所周知，大功率风机、水泵的变频调速方案，可以收到显著的节能效果，其直接经济效益很大，宏观经济效益及社会效益则更大。可以预计，大功率交流电机变频调速新技术的发展是我国节能事业的主导方向之一。 目前，阻碍变频调速技术在高压大功率交流传动中推广应用的主要问题有两个：一是我国大容量（200kW以上）电动机的供电电压高（6kV、10kV），而组成变频器的功率器件的耐压水平较低，造成电压匹配上的难题；二是高压大功率变频调速系统技术含量高，难度大，成本也高，而一般的风机、水泵等节能改造都要求低投入、高回报，从而造成经济效益上的难题。这两个世界性的难题阻碍了高压大容量变频调速技术的推广应用，因此如何解决高压供电和用高技术生产出低成本高可靠性的变频调速装置是当前世界各国相关行业竞相关注的热点。 一般来讲，在高压供电而功率器件耐压能力有限的情况下，可采用功率器件串联的方法来解决。但是器件在串联使用时，因为各器件的动态电阻和极电容不同，而存在静态和动态均压的问题。如果采用与器件并联R和RC的均压措施，会使电路复杂，损耗增加；同时，器件的串联对驱动电路的要求也大大提高，要尽量做到串联器件同时导通和关断，否则由于各器件开断时间不一，承受电压不均，会导致器件损坏甚至整个装置崩溃。

谐波问题是所有变频器的共同问题，尤其在大功率变频调速中更为突出。谐波会污染电网，殃及同一电网上的其它用电设备，甚至影响电力系统的正常运行；谐波还会干扰通讯和控制系统，严重时会使通讯中断，系统瘫痪；谐波电流也会使电动机损耗增加，因而发热增加，效率及功率因数下降，以至不得不“降额”使用。