0 引言

　　隨著能源危機,、資源枯竭以及大氣污染等危害的加劇，我國已將新能源汽車確立為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),，車載充電器作為電動汽車的重要組成部分,，其研究兼具理論研究價值和重要的工程應(yīng)用價值[1-2]。采用前級AC/DC和后級DC/DC相結(jié)合的車載充電器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。

　　當(dāng)車載充電器接入電網(wǎng)時,，會產(chǎn)生一定的諧波，污染電網(wǎng),，同時影響用電設(shè)備的工作穩(wěn)定性,。為了限制諧波量，國際電工委員會制定了用電設(shè)備諧波限制標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-3-2,，我國也發(fā)布了國標(biāo)GB/T17625[3-4],。為了符合上述標(biāo)準(zhǔn)，車載充電器必須進行功率因數(shù)校正(PFC),。PFC AC/DC變換器一方面為后級DC/DC系統(tǒng)供電,，另一方面為輔助電源供電,，其設(shè)計的好壞直接影響車載充電器性能。

　　鑒于純電動汽車車載充電器對體積,、諧波有著苛刻的要求,，本設(shè)計采用有源功率因數(shù)校正(APFC)技術(shù)[5-6]。APFC有多種拓撲結(jié)構(gòu),，由于升壓式拓撲具有驅(qū)動電路簡單,、PF值高和具有專門控制芯片[7]的優(yōu)點，選取Boost拓撲結(jié)構(gòu)的主電路,?？紤]各種基本控制方式，選取了具有諧波失真小,、對噪聲不敏感和開關(guān)頻率固定技術(shù)優(yōu)勢的平均電流控制方式,。

　　本文針對功率為2 kW的純電動汽車車載充電器，考慮諧波含量,、體積及抗干擾性能等方面的設(shè)計需求,，重點研究PFC AC/DC變換器，包含系統(tǒng)主電路和控制電路設(shè)計,，并在上述研究的基礎(chǔ)上,，開展系統(tǒng)仿真和實驗測試驗證研究，電路圖見圖2,。

1 Boost PFC AC/DC變換器

　　本文針對功率為2 kW的車載充電器PFC AC/DC變換器,，采用基于Boost拓撲的主電路結(jié)構(gòu)，以及連續(xù)模式下的平均電流控制控制策略,。主電路由整流電路和Boost升壓電路構(gòu)成,；控制電路采用電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制方式,，原理框圖見圖3。

2 PFC AC/DC變換器主電路設(shè)計

　　PFC AC/DC變換器主電路由輸出濾波電容,、開關(guān)器件,、升壓電感等器件構(gòu)成，其參數(shù)設(shè)計如下,。

　　2.1 輸出濾波電容

　　輸出濾波電容可濾除由開關(guān)動作造成的輸出電壓紋波,，同時能夠維持輸出電壓在一定范圍內(nèi)，選取的器件需較好地實現(xiàn)以上兩個功能,。

　　2.1.1 考慮輸出紋波電壓

　　式中：Co為輸出濾波電容,，Pout為主電路輸出功率，fin為電網(wǎng)輸入電壓頻率,，Vout為主電路輸出紋波電壓峰峰值,，Vout為主電路輸出電壓,。

　　2.1.2 考慮電壓維持時間

　　式中：t為主電路輸出電壓由Vout降到Vout(min)的時間。

　　據(jù)計算結(jié)果,，選取3個220 F/400 V,、1個330 F/400 V電解電容并聯(lián)。

　　2.2 開關(guān)器件

　　功率管開關(guān)器件的選擇主要考慮以下參數(shù)：耐壓值,、通態(tài)電流值以及功率管開關(guān)頻率,。在高開關(guān)頻率場合，常選取MOS管,，但單個MOS管通態(tài)電流較小,，為了增加通流能力，本系統(tǒng)選用兩個MOS管并聯(lián),。選取器件時,，流過MOS管電流取2倍裕量，MOS管兩端電壓取1.2倍裕量,。為了增加通流能力,，選取兩只IPA60R165CP(650 V，21 A)并聯(lián),。

　　2.3 升壓電感

　　升壓電感的設(shè)計思路為：首先計算電感量,，然后選擇合適的磁芯材料，最后結(jié)合磁路飽和對電感量的影響,，選取合適的電感量及材料,。

　　電感量的計算公式為：

　　式中：Vin為主電路輸入電壓，f為開關(guān)頻率,，Lmin為電感量最小值,，?駐Ilmax為電感電流紋波最大值。升壓電感最小取值隨之確定,，為108 H,。

　　確定電感量后，需選取合適的磁芯材料,。APFC電路的升壓電感磁芯材料有：磁粉芯,、鐵氧體磁芯和有隙非晶/微晶合金磁芯等。綜合分析,，考慮鐵硅鋁磁粉芯的磁通密度（BS）高,、體積小且不用開氣隙的優(yōu)點，選擇鐵硅鋁磁粉芯作為磁芯材料,。

　　當(dāng)主電路電流很大時,，電感會出現(xiàn)直流偏置，導(dǎo)致磁路飽和,。電流越大,，磁路飽和程度越大,。故選擇電感磁芯時，需考慮磁路飽和的問題,。

　　綜合考慮,，選取型號為KS184060A的鐵硅鋁磁芯60匝，當(dāng)磁路飽和程度最大時,，電感量仍為110 H,，略大于108 H。

3 PFC AC/DC變換器控制電路設(shè)計

　　控制電路采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)：外環(huán)為電壓環(huán),，內(nèi)環(huán)為電流環(huán),，電流環(huán)控制主電路輸入電流跟蹤參考電流，實現(xiàn)功率因數(shù)校正,。電壓環(huán)的輸出電壓與輸出參考電壓經(jīng)電壓誤差放大器比較后的輸出信號與前饋電壓和輸入電壓經(jīng)過乘法器運算,，得到電流環(huán)的輸入?yún)⒖茧娏鳌Ｍㄟ^電流環(huán)的調(diào)節(jié),，產(chǎn)生主電路開關(guān)管通斷的驅(qū)動信號,，實現(xiàn)系統(tǒng)功率因數(shù)校正且輸出穩(wěn)定的直流電壓。乘法器的作用主要為信號相乘,，此處,，本文重點研究電壓環(huán)和電流環(huán)的設(shè)計。

　　3.1 電壓環(huán)設(shè)計

　　電壓環(huán)的作用之一是將輸出電壓的變化反饋給電流環(huán),；作用之二是將二次諧波電壓衰減到指定水平,，以降低輸入電流的畸變。另外,，由于輸出電容的充,、放電，輸出紋波電壓滯后輸入電壓,，故電壓環(huán)的設(shè)計尚需兼顧考慮有足夠的相移,，以保證輸出電壓紋波與輸入電壓同相位。綜上可知,，需設(shè)置合理的補償電路,，使得電壓環(huán)能夠滿足上述條件。

　　無補償時,，電壓環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)[8]表達式為：

　　式中：Pin為輸入功率，?駐V為電壓誤差放大器輸出電壓范圍,。電壓開環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖如圖4中H曲線所示,，二次諧波得不到衰減，導(dǎo)致輸入電流畸變變大,，故需設(shè)置一個極點,，使紋波電壓得到較好的衰減,，同時將紋波電壓超前移相90°。

　　設(shè)計的補償電路傳遞函數(shù)為：

　　綜合考慮,，配置極點頻率等于穿越頻率,。此時，相位裕度為45°,，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好,，且二次諧波得到了較大的衰減。加入補償后的電壓環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖如圖4中N曲線所示,，二次諧波獲得了較大的衰減,，且紋波電壓超前相移90°。

　　3.2 電流環(huán)設(shè)計

　　電流環(huán)的作用是調(diào)節(jié)主電路輸入電流,，使之跟蹤主電路輸入電壓,，實現(xiàn)高PF控制。電流環(huán)的設(shè)計思路是通過補償電路的合理設(shè)計,，增加其響應(yīng)速度,，同時確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

　　無補償電路時,，電流環(huán)由PWM比較器和功率級組成,，開環(huán)傳遞函數(shù)[8]表達式為：

　　電流開環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖如圖5中H曲線所示，電流環(huán)帶寬很窄,，且高頻噪聲得不到很好的抑制,。為此，通過低頻處設(shè)置零點,，提高低頻增益,，增加帶寬；同時,，在高頻處設(shè)置極點,，抑制開關(guān)噪音。設(shè)計的補償電路開環(huán)傳遞函數(shù)為：

　　為此,，選取合適的截止頻率,，設(shè)定零點頻率以及極點頻率，使系統(tǒng)的相位裕度在45°以上,，同時兼顧使電流環(huán)滿足高增益和大帶寬設(shè)計需求,。設(shè)定截止頻率為6.65 kHz，零點頻率為4.5 kHz,，極點頻率為46 kHz,，相位裕度為48°，加入補償電路后電流環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖如圖5中N曲線所示，加入補償后的電流環(huán)在低頻處,，系統(tǒng)帶寬較大,；在高頻處，開關(guān)噪聲獲得了較好的衰減,；此外,，系統(tǒng)相位裕度超過45°，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,。

4 系統(tǒng)仿真和實驗測試

　　基于Saber仿真軟件[9]對系統(tǒng)進行仿真研究,，Boost PFC AC/DC變換器主要參數(shù)為：電感L=500 滋H，輸出電容Co=990 H,，開關(guān)頻率fs=133 kHz,，電網(wǎng)頻率fin=50 Hz，R16=510 k,，R17=10 k,，R4=160 ，R5=0.01 ,，其他參數(shù)通過前述的設(shè)計流程獲得,。在輸入電壓有效值為140 V和220 V時，分別對系統(tǒng)仿真和實驗測試,，仿真結(jié)果如圖6所示,，實驗測試波形如

　　系統(tǒng)仿真和實研測試結(jié)果表明：設(shè)計的Boost PFC AC/DC變換器能夠在寬的輸入電壓范圍內(nèi)獲得穩(wěn)定的直流輸出電壓，同時能夠?qū)崿F(xiàn)輸入電流波形跟蹤輸入電壓波形,，具有較高的功率因數(shù),。

5 結(jié)論

　　為了避免車載充電器接入電網(wǎng)時對電網(wǎng)造成污染，根據(jù)國際電工委員會制定的用電設(shè)備諧波限制標(biāo)準(zhǔn)及國標(biāo),，針對輸出功率2 kW的車載充電器,，架構(gòu)了Boost PFC AC/DC變換器主拓撲結(jié)構(gòu)及平均電流控制的設(shè)計方案，給出了其主電路及控制電路詳細設(shè)計步驟及設(shè)計流程,。在系統(tǒng)仿真測試驗證的基礎(chǔ)上,，完成了系統(tǒng)實驗測試驗證。系統(tǒng)仿真及實測結(jié)果均揭示出,，設(shè)計的2 kW車載充電器在寬輸入電壓條件下能夠?qū)崿F(xiàn)高功率因數(shù)輸入及低紋波穩(wěn)壓輸出的目標(biāo),，且具有系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單、體積小,、工作穩(wěn)定性高和成本較低等優(yōu)點,，應(yīng)用前景廣泛。

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