车载充电器高效率PFC技术分析

搞要

　　随着纯电动汽车和插电式混合动力汽车的增多,一种高效的车载充电器的研发就显得十分义、要。目前,电动汽车充电器的主电路一般采用AC/DC变换器和DC/DC变换器结合工作的结构,本文主要研究了前级的AC/DC变换器部分。传统的有桥PFC方窠输入整流桥上损耗在所有损耗中占主体,为提升PFC效率,无桥PFC应运而生。

　　本文对PFC技术从有桥PFC到无桥PFC的发展进行了介绍,总结了目前主流的BOOST无桥PFC拓扑及各自的优缺点。紧接着息结了本文研究的对象图滕桓BOOST无桥PFC的研究热点。图滕柱BOOST无桥PFC结构简单,具有较小的共模干扰。但是,在图腾柱BOOST无桥PFC电路中,两个开关管的体二极管替代了传统PFC中的快恢复二极.管,作为续流二极管。因此该拓朴不适合应用于电流连续朴式(CCM),只适合工作在电流断续棋式(DCM)或者电流临界连续模式(CRlvp,即应用于中小功率的场合。此外,该巧押的两个开关管的驱动需要隔离,相对来说,驱动较为复杂。

　　为了将图腾枉BOOST无桥PFC巧扑实用化,本文对其工作原理进行了详细的分析,给出了损耗分析模型,整体系统设计方窠,包括硬件和软件设计,最后通过仿真和实验验证了方案的可行性。

　　关键词:车载充电器,无桥PFC,损耗分析,图腾担,交错并联

Abstract

　　With the increase number of pure electric vehicles and plug-in hybrid vehicles,th,s necessary to research and design a highly efficient car charge. At present, the main circuit of the lectric vehicle charger is generally AC/DC converter and DC/DC converter. This paper studied the AC/DC converter part. The rection bridge loss in traditional power factor correction (PFC) schane with input rectifier bridge is the mos;t part in all losses. Bridgeless PFC is introduced th improve the efficiency in PFC converter.

　　This paper introduces the development of PFC technology from bridge PFC 1:0 bridgeless PFC. Current BOOST bridgeless PFC topology and their respective advantages and disadvantages are summarized in this paper. Then it summarizes the research hotspot of totem-pole BOGS了 PFC, which has simple structure and small common mode interference. However, in totem-pole BOOST bridgeless PFC circuit, the body diodes of two switches tubes replaces the fast recovery diodes which work as freewheeling diodes in the conventional PFC.

　　Therefore,this topology is not suitable for current continuous mode (CCM).th is only suitable for current thscontinuous mode (DCM) or current critical continuous mode (CRM). That,s th say it is suitable for medium and small power applications. In addition,the two switches in this topology need isolate drive,which is more complex than non-isolate drive.

　　In order to bring totem-pole BOOST PFC to practical application, the principle of the PFC topology is analyzed in detail. The lo巧孤alysis model and the overall system design scheme, including the hardware and software design, are given in this paper. Finally the sinmlation and experiment are carried out to verify the feasibility of the scheme.

　　Keywords: vehicle charger, bridgeless PFC, loss analysis, totem-pole, interleave

　　能源是人类生存和发展的重要物质基础,也是当今国标政治、经巧、军事、外交关注的焦点。中国经济社会持续快速发展,离不开有力的能源保障。在工业化国家交通用能占能源消费总量的30%r40%。交通系统与交通工具能效提高和环境友好巴成为国际趋势。

　　如目前生产的油电混合动为小汽车,其油耗丘经低于每百公里3~3.5L,比传统动为小汽车平均油耗低50%~70%W。

　　由于交通用能占整个能源消费比重大,电动汽车电带油,能够实现"零排放",噪音低,是解决能源和环境问题巧重要手段。随着石油资源的紧张和电池技术的发展,电动汽车在性能和经济性方面邑经接近甚至优于传统燃油汽车,并开始在世界范围内逐渐推广应用。W电动汽车为代表的新一代节能与环保汽车是汽车工业发展的义然趋势已经成为普遍共识W。如何研发出高效、经久耐用的电动汽车车载智能充电器,必然成了各个研发团趴攻关课题。

　　2001年,国家863计划首次设立电动汽车重大专项,并提出"王级王横"的研究开发布局,新能源汽车邑进入中国汽车产业的宏观构图。2009年2月17日,科技部、财政部、国家发改委、工业和信息化部共同启动实施节能与新能源汽车示范推广工程,对13个试点城市及我国节能与新能源汽车推广应用工作进行部署。全国两会期间又提出"十二五"期间将出台电动汽车充电、电池生产等统一标准。

　　随着纯电动汽车和插电式混合动力汽车的增多,电动汽车能否便捷充电成为制约其取代传统汽车的关键一环。车载充电器与充电站相比使用更加方便,与充电控相比巧用更低。

　　车载充电器更加符合家用电动车充电的需求,在国内商用充电站还没有建成、充电植数量化十分有限的情况下,一种高效的大功率车载充电器的研发就显得十分必要W。

　　此外,在最近几十年,由于越来越多的电力电子设备投入使用,一些通用的标准,如IEC/EN　61000-3-2被制定出来,对设备注入电网的谐波电流进行限制。强制性的国际标准和严格的电能质量要求大大的促进了功率因数校正技术的发展。因此,研究高效率的AC/DC变换器变得重要且刻不容缓。

　　在电动汽车大力发展的背景下,电动汽车充电器也得到广泛关注,研究开发高效的电动汽车充电器变得极其有义要。本文主要关注充电器当中巧AC/DC变换器部分,即研究应用于电动汽车充电器的高效率功率因数校正变换器。论文主要内容包括W下几个部分:

　　第1章介绍了电动汽车的发展现状,阐述了研究开发高效率的电动汽车充电器的意义L乂及高效率AC/DC变换器在其中的重要地位。然后从拓扑的角度对PFC的发展和现状做了简要回顾和总结,着重总结.了图腾柱BOOST无桥PFC的研究热点方向,为本文的研究打好了坚实的基础。

　　第2章对以交错并联图腾柱无桥PFC为例,详细分析了其损耗组成,并对各个主要损耗建立了损耗计算模型,同时W本义的样机实例为例进行了损耗计算。最后对提升PFC变换器效率提出了一些可行的方向性指导。

　　第3牵在前人研究的基砸上提出了一种临界导通模式图滕柱无桥PFC整流器,通进检测MOSFET漏极源极两端电压与闲值电压的大小关系来产生DS触发信号,利用该信号来触发主管的开通,从而实现临界模式的图滕控无桥PFC。在此基础上,提出了同步整流的实现方法,可W进一步提升变换器效率。这种控制方法免去了对电感电流的检测,也可W扩展到交错并联的应用中去。同时提出的一种比较电路,该电路能够有效检测MOSFET漏极源极两端电压与闽值电压的大小关系。通过仿真和实验对提出的控制方法可行性进行了验证。

　　第4章在第3章的基础上,将临界导通模式应用到交错并联的图腾柱无桥PFC中,对其工作原理进行了详细分析,同时对平台系统和元器件进行设计。最后通过仿真验证了交错并联方窠的可行性。

　　第5章对本文所做的工作进行总结,并对将来的王作进行了展望。

　　车载充电器高效率PFC技术分析：

从相关断时刻调整方法

同等地位锁相环控制框图

交错并联图腾柱无桥PFC

交流输入正半周,电路等效电路

简化的电路原理

交流输入正半周,电路主要工作巧形

系统整体结构框图

输出过流保护

一种电流过零检测方法

目录

　　摘要
　　Abstract��
　　第1章 绪论
　　　　1.1 研究课题的背景与意义
　　　　1.2 电动汽车充电设备国内外研究现状
　　　　1.3 无桥PFC研究现状
　　　　　　1.3.1 谐波的定义和标堆
　　　　　　1.3.2 常见BOOST　PFC拓扑结构的发展
　　　　　　1.3.3 图腾控无桥PFC研究热点
　　　　1.4 本文的研究内容
　　　　1.5 本章小结
　　第2章 图腾柱无桥PFC损耗分析
　　　　2.1 损耗分析
　　　　　　2丄1输入二极管
　　　　　　2丄2输入电感
　　　　　　2.1.3 功李　MOSFET
　　　　　　2丄4 同步整流管
　　　　　　2丄5 输出电容
　　　　　　2丄6 其他损耗
　　　　　　2丄7 损耗分析
　　　　2.2 本章小结
　　第3章 单相临界导通图腾枉无桥PFC整流器
　　　　3.1 临界导通模式PFC技术回顾和现状
　　　　3.2 工作原理及控制方法
　　　　3.3 控制算法软件设计
　　　　　　3.3.1 整体程序框图
　　　　　　3.3.2 软动
　　　　　　3.3.3 输入电压正负半周巧换
　　　　　　3.3.4 胃步整流
　　　　3.4 仿真与实验结果
　　　　　　3.4.1 仿真结果
　　　　　　3.4.2 实验结果
　　　　3.5 本章小结
　　第4章 交错并联图腾柱无桥PFC
　　　　4.1 交错并联技术简介
　　　　　　4丄1 开环交错并联
　　　　　　4丄2 闭环交错并联
　　　　　　4丄3.电路工作原理
　　　　4.2 系统整体方窠
　　　　　　4.2.1 技术指标
　　　　　　4.2.2 系统整体结构设计
　　　　　　4.2.3 采样及调理电路设计
　　　　　　4.2.4 保护电路设计
　　　　　　4.2.5 开关管漏极源极两端电压检测电路设计
　　　　　　4.2.6 数字控制系统
　　　　　　4.2.7 驱动电路设计
　　　　4.3 主要元器件设计
　　　　　　4.3.1 输入电感
　　　　　　4.3.2 输入高频滤波电容
　　　　　　4.3.3 功率　MOSFET
　　　　　　4.3.4 功率二极管
　　　　　　4.3.5 输出电容
　　　　4.4 仿真验证
　　　　4.5 本章小结
　　第5章 总结和展望
　　　　5.1 总结
　　　　5.2 展望
　　参考文献

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