一种提高电动汽车充电机轻载运行效率的方法

李景新，牛利勇，王健强，姜久春

(北京交通大学电气工程学院，北京 100044）

一种提高电动汽车充电机轻载运行效率的方法

李景新，牛利勇，王健强，姜久春

(北京交通大学电气工程学院，北京 100044）

本文提出了一种提高电动汽车充电机轻载运行效率的方法。在分析原有充电机轻载运行状况的基础上，提出了一种以电容-二极管-有源开关钳位电路代替原有钳位电路的全桥移相式零电压零电流开关(ZVZCS）变换器拓扑，分析了其工作原理并给出了轻载判断条件，进行了仿真研究和样机功率实验，给出了实验结果及波形。结果表明，改进电路既保留了原钳位电路的优点，又在轻载时提高了整机工作效率，同时降低了器件应力。

直流变换器;ZVZCS;移相全桥;电路仿真

1 引言

电动汽车大规模实际应用的目标要求其必须达到足够的续驶里程和足够的动力电池容量，因此充电机的功率等级也要不断提高。同时为尽量减小对电网的污染，充电机可以采用AC/DC和DC/DC相结合的电路结构，前者在实现可控整流提供稳定输出电压的同时，必须具有较高的功率因数;而后者则根据电池负载需求实现相应的功率变换和控制。考虑整机功率等级，直流变换部分采用IGBT作为主开关器件，由于IGBT的少数载流子存贮效应，在其关断时存在着拖尾电流，因而关断损耗较大，所以对于IGBT而言，ZCS方式比ZVS方式可以更加有效地降低器件的开关损耗。因此IGBT和ZVZCS全桥式拓扑是比较合适的选择［1］。其中电容-二极管-二极管(CDD）钳位全桥移相式ZVZCS变换器［2］，具有结构简单、控制方法简单、器件应力适中和效率较高等优点，综合性能较高，因此选择作为电动汽车动力电池组充电机的主电路并制作样机。

然而，根据动力蓄电池充电特性曲线可知，在蓄电池充电末期或者进行浮充充电时，充电机处于轻载运行状态，而且要持续一定时间。经分析可知，由于负载电流变化范围较大，CDD变换器就难以兼顾超前桥臂开关器件的ZVS条件和滞后桥臂开关器件的ZCS条件。因此超前桥臂开关器件的ZVS范围受到限制，轻载条件下不能实现超前桥臂ZVS及效率明显降低。有关研究者提出了相应的解决方法，其中包括采用LCD辅助谐振网络电路［3］和有源辅助换相电路［4］。但前者增加了超前桥臂主开关器件的电流应力和通态损耗，需要较大的电感量增加了系统的体积、重量以及成本;后者增加了两个有源开关器件，从而需要提供所需的驱动电路，系统复杂程度进一步提高。本文提出了一种使用电容-二极管-有源开关器件(CDS）钳位电路代替CDD钳位电路的改进方法，仅仅少量增加变换器复杂程度，既可以保留原有拓扑的优点，又能够提高变换器在轻载情况时的效率和可靠性，获得比较好的效果。

2 工作原理

本文对文献［1］提出的拓扑进行改进，以一个单向有源开关器件SC替代了原拓扑中的二极管DC，提出了CDS钳位全桥移相式ZVZCS变换器电路结构，如图1所示，用于充电机前端AC/DC变换器与负载之间的DC/DC变换。

变换器实时检测负载电流(或变压器原边电流），根据负载电流的大小控制SC的通断。

当变换器工作于负载较重情况下，SC始终保持开通，此时CDS钳位电路的作用与CDD钳位电路相同，具体工作原理参见［2］。

图1 CDS钳位全桥移相式ZVZCS变换器电路拓扑Fig.1 Circuit topology of FB-PS ZVZCS converter with CDS clamp circuit

当变换器工作于轻载情况下时，SC保持关断，使得CDS钳位电路停止工作，此时的变换器工作状态类似于移相全桥式ZVS变换器。超前桥臂开关器件的ZVS条件比较容易达到，因为在超前桥臂开关过程中，输出滤波电感是与漏感相串联的，此时用来实现开关器件ZVS的能量是两个电感中的能量。一般来说，由于输出滤波电感很大，在超前桥臂开关过程中，其电流近似不变，类似于一个恒流源，这个能量足以完成C1和C3的充放电转换过程。因此，超前桥臂开关器件仍然工作于ZVS状态，消除了由于缓冲电容储能而造成的损耗，降低了器件中的di/dt。

当超前桥臂开关器件实现 ZVS开通后，变压器副边被短路，漏感LP中的电流自然续流，当滞后桥臂开关器件关断时，LP中的电流对开关器件的输出电容充电，同时电流迅速复位到零。

变换器在轻载时的工作波形如图2所示，其中图(a）(b）为开关管S1～S4的驱动脉冲波形;图(c）为变压器原边电流ip波形;图(d）为电容C3的电压波形;图(e）为开关管S2集射极端电压VCE波形。

图2 轻载时工作波形Fig.2 Waveforms under light load

在SC由开通状态转为关断状态后，电容CC上储存的能量经过几个开关周期后即可通过Dh释放完毕，然后CDS钳位电路停止工作。由于SC仅有两种工作状态，因而对其的控制逻辑非常简单，所需的驱动功率小，基本上没有增加变换器的复杂程度。这样，采用CDS钳位电路的变换器在全部负载范围内都可以获得良好的特性，保证系统获得较高的效率和可靠性。

3 CDS钳位电路的切换条件

变换器运行时，超前桥臂开关管的死区运行时间内漏感LP中储存的能量全部用来完成C1和C3的充放电转换。而当SC始终保持开通而变换器轻载运行时，C1和C3之间充放电转换造成的能量损耗ECON可以表示为:

式中，n为变压器原副边匝比，VS为输入侧直流电压，VO为输出电压，IL为漏感LP中电流(即变压器原边电流），CE为C1、C3的电容值之和。

在死区时间内，储存在漏感 LP中的能量EL约为:

当ECON=EL时，求得此时对应的电流IL记为IJL，作为判断变压器轻载运行的临界点条件，由(1）、(2）可以得到

当IL

4 仿真及实验结果

此电路的实际目标参数为:输入直流电压VS=550V，输出最高电压 VOMAX=100V，输出最大电流IOMAX=100A，输出最小电流IOMIN=10A，选择工作频率20kHz，根据自行建立的优化设计方法［5］，主要参数设计如下:C1=C3=30nF，CC=800nF，LP=8μH，LO=100μH，CO=2200μF，n=N1/N2=2。计算可以得到轻载判断条件IJL≈22A，进行了软件仿真及实际样机制作。

4.1 仿真结果

本文根据电路拓扑及设计的主电路参数，在Matlab7.0环境下建立了稳态仿真模型。在额定输入电压的情况下，根据以上的分析，仿真CDS钳位电路切除后，IL=10A时的情况，仿真波形如图3所示。其中，VC1为C1上电压波形，Vce-S2为滞后桥臂开关器件S2上电压波形，IP为漏感LP中电流波形。

图3 轻载时仿真波形IL=10AFig.3 Simulation waveforms at light load IL=10A

由图中仿真结果可见，在变换器轻载情况下，切除CDS钳位电路后，超前桥臂开关器件的ZVS条件得以保证，保持了良好的开关特性，而滞后桥臂开关器件在较小通态电流的情况下以硬开关方式关断，其损耗也在合理范围以内，从而使得变换器在轻载情况下的效率和可靠性都比使用CDD钳位电路时得以提高。

4.2 实验结果

根据设计参数实际制作了样机，并进行了不同负载功率情况下的实验，同时在轻载条件下进行了CDS钳位电路切除前后的对比实验，图4(a）(b）示出了当输出10%额定电流时的信号波形。

其中，图4(a）为CDS电路切除前(SC导通）的信号波形，与原采用CDD钳位方式一致;图4(b）为CDS钳位电路切除后(SC关断）的信号波形。

由各图中的实验波形可见，在充电机轻载情况下切除CDS钳位电路后，变换器工作情况类似于全桥移相式ZVS方式，超前桥臂IGBT在输出最小电流的情况下也仍然能够工作于ZVS状态，而滞后桥臂IGBT虽然工作于硬开关状态，但由于变压器漏感中的储能已很小，所以滞后桥臂IGBT的C、E间电压尖峰也很小，甚至在输出最小电流时，基本上已经不存在电压尖峰，从而使得所有的IGBT都获得了良好的开关特性。

4.3 效率测试实验结果

图4(a） 输出10%额定电流时CDS切除前开关管S1集射极电压(200V/div）和变压器原边电流波形(5A/div）(上:S1集射极电压;下:变压器原边电流）Fig.4(a）VCEof S1 and primary windings current of transformer with CDS clamp active

图4(b） 输出10%额定电流时CDS切除后开关管S1、S2集射极电压(200V/div）和变压器原边电流波形(10A/div）(上:S1集射极电压;中:S2集射极电压;下:变压器原边电流）Fig.4(b）VCE1and VCE2waveforms of S1，S2 and Ip waveform of transformer with CDS clamp inactive

在额定输入电压、最高输出电压的情况下，调节输出电流的大小时测量充电机输入、输出功率，同时在轻载时分别测量了CDS钳位电路切除前后的数据，绘制效率曲线如图5所示。图中上面的曲线对应于CDS钳位电路在轻载时可以切除的效率曲线，下面的曲线为CDS钳位电路始终不切除时(即相当于CDD钳位电路的拓扑工作）的效率曲线。

可见，充电机在满载情况下效率高于90%，符合设计指标的要求。同时，采用CDS钳位电路及相应的控制策略后，在输出功率为1.12kW时样机效率为75.8%，而CDS钳位电路始终不切除时的效率为75.1%，轻载运行效率有所提高，表明CDS钳位电路及相应的控制策略可以实现效率的提升。

图5 效率实验结果Fig.5 Experimental results of efficiency

5 结论

通过对仿真和实验结果的分析可知，本文提出的使用CDS钳位电路代替原有CDD钳位电路的改进方法，既保留了CDD钳位电路的优点，又提高了变换器在轻载情况时的效率和可靠性。

仿真和实验结果表明，本文提出的方法是行之有效的。该方法仅仅少量增加变换器复杂程度，控制方法比较简单，不仅可以拓宽CDD钳位式拓扑超前桥臂开关器件的ZVS范围，而且可以提高系统轻载运行的效率，同时降低了主开关器件的应力，提高了整个系统的可靠性。

References）:

［1］张先谋，李耀华(Zhang Xianmou，Li Yaohua）.平均电流模式控制软开关移相全桥DC/DC变换器(A phaseshifted soft-switch DC/DC converter with average-current mode control）［J］.电工电能新技术(Adv.Tech.of Elec.Eng.＆ Energy），2003，22(2）:20-22.

［2］Cho Jung-Goo，Baek Ju-Won，Jeong Chang-Yong，et al.Novel zero-voltage and zero-current-switching full-bridge PWM converter using a simple auxiliary circuit［J］.IEEE Trans.on Industry Applications，1999，35(1）:15-20.

［3］Ruan Xinbo，Yan Yangguang.Zero-voltage-switched，PWM，phase-shifted converter employing an auxiliary resonant net［A］.Sixth International Conference on Power Electronics and Variable Speed Drives［C］.1996.534-539.

［4］R W De Doncker，J P Lyons.The auxiliary resonant commutated pole converter［A］.IEEE Industry Applications Society Annual Meeting［C］.1990.1228-1235.

［5］牛利勇，姜久春，张维戈 (Niu Liyong，Jiang Jiuchun，Zhang Weige）.一种全桥移相式ZVZCS变换器的优化设计(Study on optimizing design of a full-bridge phaseshifted ZVZCS converter）［J］.北京交通大学学报 (J Beijing Jiaotong Univ.），2008，32(1）:39-42.

［6］张运芳，陈荣，赵永建 (Zhang Yunfang，Chen Rong，Zhao Yongjian）.基于有源辅助网络的新型零电流全桥DC-DC变换器(A novel ZCS full-bridge DC-DC converter based on auxiliary active circuit）［J］.电工电能新技术 (Adv.Tech.of Elec.Eng.＆ Energy），2009，28(4）:37-41.

An approach to improve efficiency of EV charger under light load

LI Jing-xin，NIU Li-yong，WANG Jian-qiang，JIANG Jiu-chun
(School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

This paper presented an approach to improve efficiency of EV batteries charger under light load.On the basis of analysis on the original charger built upon capacitor-diode-diode clamp circuit，a modified capacitor-diodeswitching clamp circuit was designed to replace the original one in the full-bridge phase-shifted zero-voltage and zero-current-switching PWM DC/DC converter.Operating principle was introduced，and the critical condition to judge whether under light load was derived.Circuit simulation and experiment on the prototype were performed under different load.Both results show that besides the advantages of the original topology，higher efficiency and less stress on switches are achieved under light load.

DC/DC converter;ZVZCS;full-bridge phase-shifted;circuit simulation

TM92

A

1003-3076(2010）03-0035-04

2009-09-22

李景新(1972-），男，河北籍，讲师，硕士，研究方向为电力电子技术、微机测控技术;

姜久春(1973-），男，吉林籍，教授，博士，研究方向为电力电子技术、微机测控技术、新能源技术。