大型停车场电动汽车直流充电桩用低电应力ZCS-PWM Superbuck变换器

秦岭孔笑笑茅靖峰谢少军胡茂

（1.南通大学电气工程学院南通226019 2.南京航空航天大学自动化学院南京210016）

大型停车场电动汽车直流充电桩用低电应力ZCS-PWM Superbuck变换器

秦岭1，2孔笑笑1茅靖峰1谢少军2胡茂1

（1.南通大学电气工程学院南通226019 2.南京航空航天大学自动化学院南京210016）

提出一种新型大型停车场电动汽车充电设施——直流充电桩以及适用于该设施后级装置的低电应力ZCS-PWM Superbuck变换器。首先详细分析该变换器的工作机理，给出软开关实现的条件和功率管电应力；然后建立系统的CCM平均模型，得出稳态特性和动态特性；最后以320 V/50 A·h的磷酸铁锂动力电池为负载，通过一台1.8 kW/80 kHz样机进行实验验证。研究结果表明，该直流充电桩具有低谐波污染、高效率、长寿命、低成本以及易于批量建设等优点。

充电设施电动汽车电力电子变换器零电流软开关低电应力

0　引言

随着电动汽车示范推广力度的加大，充电设施将扮演日趋重要的角色［1］。现有的充电设施主要有充电站、换电站以及交流充电桩等。充电站和换电站多采用1～2 C大倍率充电，在短时间（小于1 h）内快速完成动力电池的能量补给［2］，然而动力电池严重发热，大大缩短了循环寿命［3］。交流充电桩主要是为车载充电机提供交流接口，并通过有源电力滤波器（APF）实现网侧功率因数校正［4］。受体积、成本和重量的限制，车载充电机的功率普遍较小，只能慢充，因此交流充电桩的功率和体积也相应较小，便于在大型停车场大量安装。然而，交流充电桩需要和车载充电机配合使用，这就限制了其应用。

直流充电桩是一种新型充电设施，不需要电动汽车配备充电机，只需要其提供直流接口，就可以直接对动力电池进行充电，从而提高了电动汽车的可靠性，并降低了整车成本；采用夜间慢充方式，既能获得夜间电价补贴，又不缩短电池寿命，从两方面节约了电动汽车的使用成本。因此，直流充电桩能够对电动汽车的快速推广起到积极作用，在未来电动汽车能源供给体系中将占有重要地位。

由于动力电池容量大（几十千瓦时）、电压高且变化范围大（240～420 V）［5，6］，为了降低系统设计和控制的难度，大型停车场用直流充电桩的主电路采用图1所示的两级式结构。其中，前级通过三相不控整流电路得到约500 V的直流电，并采用并联型APF实现网侧功率因数校正；后级采用DC-DC降压型变换器，以完成动力电池的恒流、恒压充电。需要注意的是，为了提高直流充电桩的整体寿命，三相不控整流电路的输出端未采用电解电容滤波。此外，由于实际应用中直流充电桩往往成组建设，因此可以在停车场配电间的交流进线侧安装中等容量的三相工频变压器进行总电气隔离，以提高人身安全性，如图1所示。这样，后级DC-DC降压型变换器就可采用单管非隔离拓扑（如Buck变换器），以降低直流充电桩的成本、体积和重量，并提高系统效率。

图1　大型停车场直流充电桩的主电路结构Fig.1 The DC charging spot in large parking lot

后级DC-DC降压型变换器是直流充电桩实现动力电池充电功能的基础，其电磁干扰、效率、成本、体积和重量等性能对直流充电桩是否经济、可靠地工作至关重要［7］。与传统的Buck变换器相比，Superbuck变换器具有相同的电压增益，但其输入、输出电流均连续［8］，因而前级APF的设计容量得以降低，且电磁干扰大大减小，因此更适合用作直流充电桩的后级变换器。

直流充电桩后级变换器的输入电压高达500 V左右，因此更加适合采用IGBTs作为开关管。为了实现直流充电桩的小型化和轻型化，需要提高开关频率，然而IGBTs关断时的电流拖尾所导致的关断损耗也随之急剧增加。解决上述问题的有效办法是实现IGBTs的零电流开关。近几年，各国学者陆续提出了多种ZCS-PWM技术方案［9-21］。文献［9-14］利用辅助谐振电路实现了主开关管的零电流开关，减小了开关损耗。但主开关管电流为硬开关电流叠加谐振电流，因此电流应力和通态损耗很大。文献［15-19］使谐振电流只流过辅助回路，有效解决了主开关管电流应力大的问题。但新的问题随之而来，如：续流回路中存在多个二极管，增大了变换器的通态损耗［15，16］；采用了多个谐振电感或耦合电感，增大了铁耗和结构复杂性［17-19］。上述缺陷在文献［20］提出的ZCS-PWM方案中得以解决。然而，该方案中辅助二极管关断时等效结电容和线路中的电感（包括谐振电感和线路分布电感）产生了高频谐振，使得所有功率管均出现较大的电压尖峰。这一现象在文献［9，19］中也同样可以观察到。

过高的电压尖峰导致电路中所有功率管的电压定额被迫抬高了1倍，饱和压降、通态损耗和成本都因此增加。因此，必须采取相应措施对电压尖峰予以抑制。在功率管两端并联RC或RCD吸收电路，可有效抑制关断时的电压尖峰，但严重影响了系统效率。采用有源钳位电路可缓解上述电压尖峰问题，但无疑会导致主电路拓扑、控制及驱动复杂化［21］。文献［11，14，15］指出，采用无源钳位技术是消除ZCS-PWM DC-DC变换器中功率管电压尖峰的最为经济、有效地方法。

基于和文献［15，20］相似的方案，本文提出了一种新型ZCS-PWM Superbuck变换器，其能够在工作电压和负载范围内实现所有开关管的零电流开关，且主开关管的电流应力降到最低；在IGBT的发射极和储能电容的一端连接钳位二极管，消除了所有功率管的电压尖峰，电压应力也达到最低。由于该变换器具有效率高、电应力低、电磁干扰小、成本低、结构简单以及体积重量小等优点，非常适合用作直流充电桩的后级变换器。首先详细分析了该变换器的工作机理，给出了软开关实现的条件和功率管电应力；然后建立了系统的CCM平均模型，得出稳态特性和动态特性；最后以320 V/50 A·h的磷酸铁锂动力电池为负载，通过一台1.8 kW/80 kHz样机实验验证了这种充电装置的可行性。

1　低电应力ZCS-PWM Superbuck变换器

1.1工作原理分析

本文提出的低电应力ZCS-PWM Superbuck变换器如图2所示。图中，虚线框外的部分为传统的Superbuck变换器，虚线框内的部分为ZCS-PWM辅助电路，它由辅助开关管S2、辅助二极管VD2、钳位二极管VDc、谐振电感Lr和谐振电容Cr构成。

图2　低电应力ZCS-PWM Superbuck变换器Fig.2 Reduced electric stress ZCS-PWM Superbuck converter

为了简化分析，作如下假设：①开关管、电感和电容均为理想元件；②二极管VD1、VD2和VD3的导通压降为零，钳位二极管VDc的导通压降为UVDc；③所有二极管的结电容均等于Cj；④电容C1足够大，C1≫Cr，其端电压UC1近似为恒定，故可等效为恒压源；⑤电感L1、L2足够大，L1≫Lr，L2≫Lr，其电流IL1和IL2近似恒定，故可等效为恒流源，且IL1+IL2= Io。基于上述假设，稳态时该变换器在一个开关周期的工作过程分为11个模态，每个模态对应的等效电路如图3所示。

图3　各模态等效电路Fig.3 Dynamic equivalent circuits of the proposed converter during one switching period

1）模态1［t0～t1］，其等效电路如图3a所示。t0时刻前，S1、S2都关断，IL1、IL2通过Lr、VD3续流，uCr（t）=0。在t0时刻，S1开通，Lr承受反向电压UC1，其电流从Io线性下降，流过S1的电流iS1（t）相应地由零开始线性上升，所以S1为零电流开通。t1时刻，iS1（t）上升到Io，Lr中的电流iLr（t）相应地降为零，此时VD3零电流关断，模态1结束。

2）模态2［t1～t2］，其等效电路如图3a所示。在t1时刻，二极管VD3的结电容Cj，VD3与Lr经UC1、S1串联谐振。t2时刻，uVD3（t）=UC1+UVDc，uVDc（t）= -UVDc，钳位二极管VDc导通，其端电压被钳制在-UVDc，模态2结束。

3）模态3［t2～t3］，其等效电路如图3b所示。VDc导通后，Cr与Cj，VD3相当于并联在一起，又因为Cr≫Cj，Cj，VD3可忽略不计。因此，在t2时刻，Lr与Cr将经过VDc产生串联谐振。在t3时刻，iLr（t）=0，VDc零电流关断，模态3结束。

4）模态4［t3～t4］，其等效电路如图3b所示。在t3时刻，VDc的结电容Cj，VDc与Cr、Lr发生串联谐振。模态4将一直持续，直至开关管S2导通。

5）模态5［t4～t5］，其等效电路如图3c所示。在t4时刻，S2开通，VDc端电压被钳制为UC1，Cj，VDc与Lr的串联谐振结束。此时，Lr、Cr通过UC1、S2发生串联谐振。S2中的电流iS2（t）由零先逐渐上升，再逐渐下降，所以S2为零电流开通。t5时刻，uCr（t）达到最大值，iLr（t）=0，此时可以零电流关断S2，模态5结束。

式中ILr，max=［UC1-uCr（t3）］/Z2。

6）模态6［t5～t6］，其等效电路如图3d所示。t5时刻，Lr、Cr经过UC1、VD2、S1发生串联谐振，uCr（t）从最大值逐渐下降，iLr（t）由零开始反向逐渐增大，VD2零电流开通。t6时刻，iLr（t）增大至Io，iS1（t）相应地减小为零，此时可以零电流关断S1，模态6结束。

7）模态7［t6～t7］，其等效电路如图3e所示。t6时刻，S1关断，Lr、Cr通过S1的反并联二极管VD1继续谐振。VD1中的电流iVD1（t）由零逐渐增大，因此为零电流开通。在该阶段，iLr（t）从Io增大到峰值后又逐渐减小。t7时刻，iLr（t）减小为Io，iVD1（t）为零，VD1零电流关断，模态7结束。

8）模态8［t7～t8］，其等效电路如图3e所示。此时，VD1的结电容Cj，VD1与Cr、Lr发生串联谐振。又因为Cj≪Cr，故Cr可等效为电压源uCr（t7）。t8时刻，uVD1（t）=UC1+UVDc，uVDc（t）=-UVDc，钳位二极管VDc导通，VDc端电压被钳制在-UVDc，模态8结束。

9）模态9［t8～t9］，其等效电路如图3 f所示。VDc导通后，Lr与Cr经过VDc产生串联谐振。t9时刻，uCr（t）减小至零，模态9结束。

10）模态10［t9～t10］，其等效电路如图3g所示。t9时刻，uCr（t）=0，VD3导通，Lr两端承受正向电压UVDc，其电流从iLr（t9）线性上升，而VDc中的电流则相应由Io-iLr（t9）线性下降。t10时刻，iLr（t）上升至Io，VDc和VD2的电流下降为零，因此为零电流关断，模态10结束。

11）模态11［t10～t11］，其等效电路如图3h所示。从t10时刻开始，IL1、IL2经Lr、VD3续流。直到再次开通开关管S1，模态11结束。

1.2实现软开关的条件

图4为一个开关周期内变换器的主要波形。可看出，当且仅当VD1导通时关断S1，才能实现S1的零电流关断。因而，要确保该变换器在整个输入电压和负载变化范围内都能实现所有开关管的零电流软开关，必须满足以下电流条件

式中Io，max为满载时的输出电流。

图4　主要工作波形Fig.4 The relevantwaveforms of the proposed converter

1.3功率管的电应力

根据上述分析可知，谐振电流只流过辅助回路，因此主开关管的电流应力和硬开关时相同；添加钳位二极管VDc，使得S2发射极的电位在低于C1负极性端的电位时被迅速钳制住，从而彻底消除由二极管结电容谐振等各种原因引起的功率管上的电压尖峰。表1将文献［9］和本文提出的ZCS-PWM方案进行电应力比较。可看出，本文提出的方案中电压应力和电流应力均得到明显降低。

表1　不同ZCS-PWM方案下功率器件电应力Tab.1 Electric stress of all power components in different ZCS-PWM methods

2　CCM时低电应力ZCS-PWM Superbuck变换器的特性分析

2.1平均模型

根据图4，可得iS1、iS2、uVD2、uCr在一个开关周期内的平均值分别为

从而可得出该变换器的平均模型，如图5所示。由图5可得平均状态方程为

图5　平均模型Fig.5 Averagemodel of the proposed converter

2.2稳态分析

假设变换器在一个周期内的静态工作点分别为Uin、Uo、Ub、UC1、IL、IL1、IL2、Io、D，小信号扰动分别为，那么就有

将式（20）代入平均状态方程式（16）～式（19），分离扰动，可得静态工作点为

从而可得变换器的输出特性表达式为

图6　不同谐振频率变换器的输出特性曲线Fig.6 The output characteristic of the proposed converter

2.3小信号分析

对分离扰动后的方程式进一步线性化，并进行拉普拉斯变换，可得s域小信号模型为

3　实验结果

为了验证本文提出的电动汽车直流充电桩的可行性，在实验室完成了一台原理样机（不含APF部分），其结构如图7所示。该直流充电桩的主要参数为：输入线电压Ul=380 V±10%（50 Hz），最大充电功率Po，max≈1.8 kW，开关频率fs=80 kHz，最大充电电流Io，max=5 A，最大充电电压Uo，max=365 V，L1=2.5 mH，L2=4 mH，C1=C2=0.47μF，Lr=30μH，Cr=10 nF，S1和S2选用IXSH15N120A，VD2和VD3选用DSEI30-12A，VDc选用HER308，负载选用320 V/50 A·h的磷碳铁锂动力电池组（主要电气参数如表2所示）。该直流充电桩采用输出电压、总电感电流双闭环控制，其可实现先恒流后恒压两阶段充电。具体实现机理为：当输出电压反馈值Uo，f小于基准电压Uo，ref（对应Uo，max），电压外环PI调节器饱和，其输出值Io，ref（电流内环的基准值）被限幅于最大值（对应Io，max）。此时，电压外环相当于开环，只有电流环在起调节作用，即系统工作在恒流充电模式。随着充电的进行，动力电池的端电压会持续上升。当Uo，f上升超过Uo，ref时，电压外环开始退饱和，此时系统工作在恒压充电模式。

图7　实验样机结构框图Fig.7 Power stage circuit and controller diagram of the prototype

表2　动力电池主要电气参数Tab.2 Major specification of the traction battery

表3为相同工作条件下，直流充电桩前级没有APF滤波装置，后级分别采用Buck变换器和Superbuck变换器，利用Saber仿真软件所测得的网侧电流THD。可以看出，由于Superbuck变换器输入侧电流连续，直流充电桩网侧电流的THD得以大大减小，从而有效降低了APF的设计容量。图8为低电应力ZCS-PWM Superbuck变换器的Gud（s）和Gid（s）的波特图。可看出，Gud（s）和Gid（s）的理论值与仿真值在低频段（0～0.2fs）基本吻合，这表明该变换器小信号模型是正确的。

表3　不同充电模式下的网侧电流THDTab.3 THD of phase currentwith different charging

图8　传递函数Gud（s）和Gid（s）的波特图Fig.8 Bode diagrams of transfer function Gud（s）and Gid（s）

图9分别为最低输入电压、最大输出电压且满载充电情况下功率管及谐振元件的端电压及电流波形。可以看出，实验波形与理论分析基本吻合，且所有功率管均实现了零电流软开关。由式（11）可知，变换器在满载时最难以实现软开关，因此该变换器能在整个负载范围内实现开关管的零电流开关。

图9　有钳位二极管时的实验波形Fig.9 Experimental waveforms with clamp diode

图10为相同工作条件下，不加钳位二极管VDc时S1、S2、VD2、VD3的电压波形。对比图9和图10可看出，加入钳位二极管后，电压尖峰得到明显抑制，且电压振荡的持续时间大大缩短。

图10　不加钳位二极管时的实验波形Fig.10 Experimental waveforms without clamp diode

图11为相同工作条件时，不同方法下系统的效率曲线。可以看出，系统最高效率达到97%。若采用低耐压值的功率器件，最大效率还可进一步提高到98%。此外，从图中还可看出：恒流充电时，ZCS方式下的系统效率始终高于硬开关方式下的变换效率；然而，恒压充电且轻载时，前者的变换效率反而低于后者。这是因为，流经辅助支路的谐振电流基本不变，其通态损耗与负载大小无关，因此轻载时ZCS方式下辅助电路的通态损耗大于硬开关方式下功率器件的开关损耗。

图11　不同充电模式下系统效率曲线Fig.11 The efficiency curves under different chargingmodes

4　结论

本文提出了一种新型的大型停车场电动汽车充电设施——直流充电桩以及适用于该设施后级装置的低电应力ZCS-PWM Superbuck变换器。分析了该变换器的工作原理和特性，最后以320 V/50 A·h的磷酸铁锂动力电池为负载，通过一台1.8 kW/80 kHz样机实验验证了该充电装置的可行性。研究结果表明：

1）直流充电桩可实现电动汽车动力电池的恒流、恒压两阶段慢充功能。

2）相同工作条件下，直流充电桩后级变换器采用Superbuck变换器，其网侧电流的THD约为采用Buck变换器时的1/3，从而可有效降低APF的设计容量。

3）低电应力ZCS-PWM Superbuck变换器可在整个输入电压和负载变化范围内实现所有功率管的零电流开关。与硬开关相比，系统效率大大提高。

4）采用钳位二极管有效消除了所有功率管的电压尖峰，且谐振电流只流过辅助回路，主开关管的电流应力达到最低。与文献［9］相比，本文提出的方案中电压、电流应力均得到明显降低。因此，可采用较低电压及电流定额的功率器件，以提高系统效率，并降低成本。

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ZCS-PWM Superbuck Converter w ith Reduced Electric Stress for Electric Vehicle DC Charging Spot in Large Parking Lot

Qin Ling1，2Kong Xiaoxiao1Mao Jingfeng1Xie Shaojun2Hu Mao1
（1.School of Electrical Engineering Nantong University Nantong 226019 China 2.College of Automation Engineering Nanjing University of Aeronautics&Astronautics Nanjing 210016 China）

This paper presents a novel electric vehicle（EV）charging facility—DC charging spot—in large parking lot and a zero-current-switching（ZCS）pulse-width-modulated（PWM）Superbuck converter with reduced electric stress suitable for the output stage.In the paper，the operation principles have been thoroughly analyzed and the condition of the soft switching and the electric stress of the power electronics devices are obtained.Then，the steady-state and dynamic character can be estimated by the state-space averaging approach.Finally，a charger prototype rated l.8 kW/80 kHz is constructed for a 320 V/50 A·h Lithium-ironphosphate battery pack.The simulation and experimental results show that the proposed DC charging spot has the advantages of low harmonic pollution，high efficiency，long lifetime，low cost and ease of bulk construction.

Battery charger，electric vehicle，power converters，zero-current-switching，reduced electric stress

TM315

秦岭男，1977年生，博士研究生，副教授，研究方向为新能源发电及先进储能技术。（通信作者）

孔笑笑女，1991年生，硕士研究生，研究方向为功率电子变换及软开关技术。

国家自然科学基金（51207075、51477077）和江苏省自然科学基金（BK20141238）资助项目。

2015-01-20改稿日期2015-10-10