1 引言
電動汽車（ev）是由電機(jī)驅(qū)動前進(jìn)的［1］,，而電機(jī)的動力則是來自可循環(huán)充電的電池［2］，并且電動汽車對電池的工作特性的要求遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的電池系統(tǒng),。隨著電池技術(shù)的提高,，因?yàn)殡妱悠囯姵叵到y(tǒng)中的高電壓和大電流的以及復(fù)雜的充電算法，所以對電池的充電變得越來越復(fù)雜［3］,，這樣會對現(xiàn)有的電網(wǎng)造成很大的干擾,。因此，需要高效而且失真度低的充電機(jī)［4］,。
從傳統(tǒng)上來講,，充電器可以被分為兩個大類：線性電源和開關(guān)電源［5］ ［6］［7］。線性電源主要有三方面的優(yōu)勢：設(shè)計(jì)簡單,，在輸出端沒有電氣噪聲而且成本比較低,。但是線性電源的充電電路效率低對充電器來說是一個很嚴(yán)重的缺點(diǎn)。使用開關(guān)電源可以解決這些問題,，開關(guān)電源的效率高,，體積小而且成本也低。傳統(tǒng)的開關(guān)電源式充電機(jī)采用不可控或者半控器件如晶閘管進(jìn)行整流,，雖然能夠得到較為平滑的直流電壓,，但是同時(shí)也給電網(wǎng)注入了大量的無功功率和諧波電流，給電網(wǎng)造成很大的污染［8］,。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,，三相電壓型pwm整流器（vsr）因其具有功率因數(shù)可控、網(wǎng)側(cè)電流趨近于正弦,、直流側(cè)電壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),，應(yīng)用在汽車充電器中,，可以解決功率因數(shù)低、諧波電流大等問題［9］,。
但是pwm整流器的開關(guān)元件在電壓和電流全不為零的時(shí)候動作會消耗能量［10］,，而且隨著開關(guān)頻率增加，在開關(guān)器件上的損耗會變得越來越大［11］,。使用諧振型零電壓軟開關(guān)可以解決這些問題,，而且具有很多的優(yōu)點(diǎn)：功率開關(guān)的軟切換，在開關(guān)過程中的損耗將會很小,，反過來會增加充電的效率而且可以增加運(yùn)行的頻率［12］,。這樣充電機(jī)的體積和重量也會得到減小［13］,。另外一個好處是,，在使用諧振［型軟開關(guān)后，整流器中電壓電流中的諧波含量會得到降低［14］,。因此,，當(dāng)諧振型的整流器和傳統(tǒng)整流器工作在相同的功率等級和開關(guān)頻率時(shí)，諧振型的整流器造成的emi問題會小很多［15］,。使用諧振型的整流［器去提高充電［16］機(jī)的功率等級,、充電效率、可靠性和其他的工作特性［17］,。
三相諧振型逆變器廣泛的應(yīng)用在電機(jī)調(diào)速控制等領(lǐng)域［20］,，本文以三相逆變器為原型，設(shè)計(jì)了三相pwm整流器,。并且根據(jù)諧振型整流器的特點(diǎn),，對控制方法進(jìn)行了改進(jìn)，使其能夠達(dá)到最低的失真度（df）和最小的總諧波失真（thd）,。將它運(yùn)用在電動汽車充電機(jī)上,，能夠減小充電站的功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)的壓力，而且由于采用了軟開關(guān)技術(shù),，不會由于增加了可控開關(guān)管,，而導(dǎo)致充電效率降低，為充電機(jī)的大規(guī)模并入電網(wǎng)提供了必要條件,。
2 充電機(jī)的總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖1從原理上描述了充電機(jī)的總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖,，圖中包括幾個主要的部分：
（1）emi濾波器：抑制交流電網(wǎng)中的高頻干擾對設(shè)備的影響,，同時(shí)屏蔽電動汽車充電機(jī)對交流電網(wǎng)造成的干擾；
?。?）三相pwm整流器：三相pwm整流器應(yīng)用在充電機(jī)上能夠提高功率因數(shù),，而且能夠減少對電網(wǎng)的諧波污染,；隨著功率因數(shù)的提高，充電站功率因數(shù)校正（pfc）的壓力會得到降低,。由于其具有功率因數(shù)可控的功能,，既可以將它應(yīng)用在充電機(jī)上，也可用作整個充電站的功率因數(shù)校正（pfc）,，因此會有廣泛的應(yīng)用前景,，本文將主要對他進(jìn)行設(shè)計(jì)。
?。?）全橋逆變器：將整流得到的直流電壓逆變成高頻交流方波,，用以通過高頻變壓器，并通過調(diào)節(jié)占空比改變輸出的電壓電流的大??；
（4）高頻變壓器：傳輸高頻交流電能,，同時(shí)能夠?qū)⒇?fù)載和前級電路進(jìn)行隔離,；
（5）不可控整流橋：對高頻變壓器傳輸?shù)慕涣鞣讲ㄕ?，用于對電池進(jìn)行充電,。
在主電路中受控的主要是三相pwm整流橋和全橋逆變器兩個主要環(huán)節(jié)，但是在提高功率因數(shù)和充電效率等方面,，需要著重的分析三相pwm整流器的運(yùn)行機(jī)理,，所以在下文的討論中主要關(guān)注如何通過改進(jìn)三相整流器的電路并通過改進(jìn)控制方式來達(dá)到要求。
3 三相pwm整流器電路結(jié)構(gòu)與動作分析
圖2為帶有軟開關(guān)的三相pwm整流器的電路結(jié)構(gòu),，電路圖的左半部份為三相pwm整流橋,，右半部分為零電壓開關(guān)電路（zvs），并且在開關(guān)器件上都并聯(lián)了緩沖電容,。
由于整流器的開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于電網(wǎng)頻率,，因此在一個開關(guān)周期內(nèi)可以認(rèn)為整流器的輸入電流和輸出電流是恒定的，從而可以用恒流源is和il來表示輸入電流和輸出電流,。因此可以用圖3作為圖2的等效電路,，在圖3中sreg、ds,、cr1分別代表整流器的功率開關(guān),、續(xù)流二極管和緩沖電容。由于三相整流橋的上下橋臂功率開關(guān)器件總有一方導(dǎo)通,，所以cr1=3cs,。軟開關(guān)部分包含了兩個開關(guān)器件sa1、sa2,，兩個二極管d1,、d2,，諧振電感l(wèi)r和諧振電容cr1、cr2,。在軟開關(guān)的結(jié)構(gòu)中cr1是主諧振電容,，cr2是輔助電容用于將諧振電感l(wèi)r的電流ilr反向。在主諧振電容vcr1為0期間,，三相橋的功率開關(guān)進(jìn)行動作,，可以實(shí)現(xiàn)零電壓操作，極大的降低了功耗,。
通過這個軟開關(guān)結(jié)構(gòu)可以將整流橋和輔助開關(guān)完全置于軟開關(guān)的條件之下,，同時(shí)能夠省去直流環(huán)節(jié)的濾波電容（電解電容），能夠減小充電器的體積,，并且能夠?qū)ρ娱L充電機(jī)的壽命起到極大的作用,。
4 實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行
對整流器交流側(cè)運(yùn)用基爾霍夫電壓定律可以得到電網(wǎng)電壓、整流橋壓降和電感電阻壓降之間的電壓關(guān)系等式：
?。?）由于分布電阻r的阻值較小,，忽略分布電阻壓降后可以得到電壓之間的向量圖如圖4（a）所示。
提高系統(tǒng)的功率因數(shù),，并實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行,，交流側(cè)的電壓和電流的方向需要保持一致（如圖4（b））所示，可以通過控制三相整流橋上的壓降的大小和相角來調(diào)節(jié)電流的方向,。采用直接電流控制來調(diào)節(jié)三相整流橋上的壓降,，通過對整流器直流側(cè)的電壓進(jìn)行反饋和交流側(cè)電流的前饋控制，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的大小和向量,，并最終使交流側(cè)電壓電流的方向保持一致,，實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)運(yùn)行。
5 svpwm應(yīng)用在pwm整流器
svpwm在整流器上被廣泛的應(yīng)用著,，因?yàn)樽畲筝敵鲭妷罕萻pwm調(diào)制方法要高出15%,，同時(shí)諧波特性也要比別的調(diào)制方法要好很多［18］，同時(shí)能夠保持最低的開關(guān)頻率［19］,，但是在將svpwm應(yīng)用到帶有軟開關(guān)的整流器的時(shí)候,，在采樣周期的電壓向量序列需要做一些改變。
?。?）其中,，瞬時(shí)空間向量是dq坐標(biāo)系下的8個空間向量，如圖5（a）所示,，大小為,，其中包含6個非零的向量v1~v6和兩個零向量v0、v7,，并且將整個dq平面均分成6個扇形區(qū)域ⅰ~ⅵ,。
根據(jù)文獻(xiàn)［20］,，在帶有軟開關(guān)的三相整流器中，采用svpwm方式最好的調(diào)制方法是按照圖5（b）所描述的向量作用順序,，使用這種方法能夠獲得最低的失真度（df）和最小的總諧波失真（thd）。在圖5b的調(diào)制方法中,，v0,、v1、v2分別代表的是零向量和兩個非零向量,。在同一個扇形區(qū)域中,，兩個非零向量在作用時(shí)間t=2*δθ=2ωts中交替著作為第一個作用向量，并且在兩個非零向量作用時(shí)間中間添加進(jìn)零向量的作用時(shí)間,。
圖6為三相整流器的控制框圖,，分為3個部分：最左側(cè)的是軟開關(guān)作用時(shí)間和向量序列作用時(shí)間控制塊，負(fù)責(zé)產(chǎn)生諧振控制時(shí)間t1和三個電壓合成向量的作用時(shí)間t0,、t1,、t2；中間是軟開關(guān)和整流器igbt門信號的產(chǎn)生器,，通過接收控制器的時(shí)間信號,，產(chǎn)生滿足要求的igbt門信號；最右側(cè)則是被控對象三相整流橋（vsr）和軟開關(guān)（zvs）的電路,。通過控制sa1,、sa2的通斷，給svpwm的向量作用序列創(chuàng)造零電壓的開關(guān)時(shí)間,，同時(shí)按照改進(jìn)的svpwm向量作用順序,，能夠極大的減小因?yàn)楣β使茉龆喽斐傻某潆娦氏陆档膯栴}。
6 仿真結(jié)果
為了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和分析,，對帶有軟開關(guān)的三相pwm整流器在matlab/simulink中進(jìn)行了仿真,，仿真的參數(shù)如下：交流側(cè)的三相電壓為380v，開關(guān)頻率為20khz,，直流側(cè)電壓設(shè)定值為450v,，電路參數(shù)：cr1=6500μf，cr2=450μf,，lr=20mh,。
仿真結(jié)果如圖7和圖8所示：圖7（a）中表示的是直流側(cè)電壓的仿真波形，可以發(fā)現(xiàn)直流側(cè)電壓vdc基本穩(wěn)定在450v,，而且電壓的波動范圍很小,，符合設(shè)計(jì)的要求，圖7（b）表示的是電網(wǎng)側(cè)交流電壓電流之間的關(guān)系,，在直流側(cè)電壓穩(wěn)定后,，電壓和電流一直保持著同相的關(guān)系,，功率因數(shù)接近為1，能夠?qū)崿F(xiàn)充電機(jī)的高功率因數(shù)運(yùn)行的要求,；圖8（a）表示的是電壓的調(diào)制比的大小,，同樣他的波動范圍非常小，圖8（b）表示的是有功和無功電流的大小,，可以看到無功電流一直穩(wěn)定在0附近,，整流器的功率因數(shù)能夠接近為1。
7 結(jié)束語
本文采用開關(guān)電源技術(shù)設(shè)計(jì)了大功率的汽車充電器,，并對三相pwm整流器進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì),。綜合采用了零電壓軟開關(guān)（zvs）技術(shù)和空間矢量脈寬調(diào)制（svpwm）技術(shù)，并且根據(jù)軟開關(guān)的開關(guān)條件對svpwm的調(diào)制方法進(jìn)行改進(jìn),，使其能夠獲得最低的失真度（df）和最小的總諧波失真（thd）,。最后對三相pwm整流器進(jìn)行了仿真，仿真顯示充電過程中能夠獲得很高的功率因數(shù),，而且交流側(cè)電流接近于正弦,，直流側(cè)電壓穩(wěn)定。由于充電機(jī)能夠達(dá)到很高的功率因數(shù),，同時(shí)諧波含量也很低,，所以可以減小充電站的功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)的負(fù)擔(dān)，同時(shí)設(shè)計(jì)的三相整流器由于具有功率因數(shù)可控的特點(diǎn),，可以用作充電站的功率因數(shù)校正環(huán)節(jié),，為充電機(jī)的大規(guī)模使用提供了必要條件。
參考文獻(xiàn)
?。?］ 王建賾,，伏祥運(yùn)，曾繁鵬,，等,。可連續(xù)調(diào)節(jié)容性無功的pwm型靜止無功補(bǔ)償器［j］,。電力系統(tǒng)自動化,，2005，29（8）：71-74．
?。?］ 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.
?。?］ 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.
?。?］ 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.
?。?］ 武志賢，蔡麗娟，湯酉元,。三相高功率因數(shù)整流器的研究現(xiàn)狀及展望［j］,。電氣傳動，2005,，35（2）：3-7．
?。?］ 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.
?。?0］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.
?。?1］劉文華,，馬曉軍，鄭文斌,，等,。高功率因數(shù)48v/50a通信開關(guān)電源［j］。電力系統(tǒng)自動化,，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.
?。?3］周原,，胡偉，沈沉,，等,。空間矢量脈寬調(diào)制與單周控制的等效性［j］,。電力系統(tǒng)自動化,，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.
?。?5］m.m.morcos,， curtis r. mersman， g.g. sugavanam,， norman g.dillman. battery chargers for electric vehicles. ieee powerengineering review,， november2000.
［16］張崇巍,，張興.pwm整流器及其控制［m］．北京：機(jī)械工業(yè)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.
?。?8］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.
?。?9］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.