一种车载充电器用ZCS-Buck软开关拓扑研究

李微，孟准，王议锋

（天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072）

一种车载充电器用ZCS-Buck软开关拓扑研究

李微，孟准，王议锋

（天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072）

提出了一种基于交错并联技术和Buck型三相单开关整流电路的零电流软开关（zero-current-switching，ZCS）电动汽车车载充电电路。采用多谐振结构保证Buck电路中的IGBT实现ZCS，续流二极管实现零电压软开关（zero-voltage-switching，ZVS），满足车载充电器（onboard charger，OBC）大功率、高效率、高功率密度的需求。分析了电路的工作原理，重点研究了ZCS的实现条件，根据理论分析进行了硬件参数设计。此外，设计试制了1台8.5 kW样机并进行了实验研究，实验结果与理论分析一致，验证了分析的正确性。

电动汽车；车载充电器；零电流软开关；交错并联

由于能源危机和环境问题日益加剧，电动汽车和混合动力电动汽车受到越来越广泛的关注，相关研究也成为研究热点。电动汽车充电设备是为电动汽车提供能量的关键部件，直接影响充电时长和电池使用寿命，是电动汽车发展面临的一大挑战［1-2］。受体积、重量和成本的限制，目前的车载充电器的功率相对较低、充电速度慢。因此，开发体积小、重量轻、效率高、功率大、功率因数高、THD低的车载充电装置是目前电动汽车发展的一个重要需求［3］。

车载充电器按结构可分为单级和两级2种。其中两级结构具有灵活性高、输入输出可调节范围宽的优点。但是两级结构不利于提高系统变换效率，难以满足车载充电器体积小、重量轻的需求。而单级结构会减少开关器件的数量，降低电路复杂程度，更有利于实现高转换效率和高功率密度，因此更适合车载充电器应用。已经有学者提出了大量的具有PFC功能的AC/DC变换电路。其中，高开关频率的Buck型PFC AC/DC变换结构由于可以减小滤波器的体积和重量，在电动汽车车载充电领域得到了广泛应用［4］。

为了提高变换效率，可以在车载充电研究中引入软开关技术，应用最广泛的软开关拓扑有移相ZVS和LLC谐振。移相ZVS拓扑的软开关范围小、对器件的寄生参数和变压器漏感过于敏感，大大提升了系统参数设计难度［5］。而LLC谐振拓扑电感和变压器设计要求严格，频率范围过宽也将增加EMI滤波器的设计难度［6］。因此这2种结构均不适于负载变化范围大的OBC应用。Robert W.Erickson和Yungtaek Jang两位学者提出了一种新的Buck型零电流软开关三相AC/DC变换器，可以实现高功率因数和高质量的输入电流，通过采用多谐振结构，实现Buck开关管ZCS［7］。

在上述基础上，本文提出了一种交错并联的三相ZCS-Buck型车载充电电路，采用了两通道交错并联结构进行均流控制以减小电流纹波和电感体积，并减小开关器件的电流应力［8］。文中分析了拓扑结构和工作原理，重点分析了ZCS软开关的实现条件，进行了参数设计和样机搭建以及实验验证，试验结果与理论分析一致，最终证明该拓扑结构的正确性和可用性。

1 电路拓扑与工作原理

本文提出的交错并联三相多谐振ZCS-Buck型车载充电电路如图1所示。

图1 三相多谐振零电流软开关Buck型车载充电电路Fig.1 Three-phase multi-resonant ZCS-Buck onboard charger

1.1 电路拓扑

电路采用双通道交错并联结构，用于纹波互补以及损耗和热分布，交错并联的2个通道采取完全相同的控制方法，驱动信号相位相差π。电路中Cr1～Cr3，Cd和Lr组成1个谐振周期固定的多谐振电路，从而保证IGBT工作在ZCS模式，Dd工作在ZVS模式。因此采取导通时间恒定，调整开关频率的脉冲频率调制（pulse frequency modulation，PFM）的控制方法，以实现IGBT的零电流关断，输出电压随着驱动频率的增加而

uCr1～uCr3和iCr1～iCr3分别表示谐振电容Cr1～Cr3的电压和电流；uCd和iCd分别表示输出侧谐振Cd的电压和电流；uLr和iLr表示谐振电感Lr的电压和电流；us1和is1分别表示IGBT S1的电压和电流；Iout和Uout分别表示系统输出电流和电压；uA，uB，uC和iA，iB，iC分别表示三相输入电压和电流；UPM和IPM分别表示输入相电压和相电流的峰值。升高。

1.2 电路工作模态分析

为了简化分析过程，我们选取π/2的工作点进行分析。在π/2的工作点，A相输入电压uA和A相输入电流iA都达到了最大值，而且uB=uC=−0.5uA，uA=UPM。同理，iB=iC=−0.5iA，iA=IPM。在该工作点，输入侧电容Cr2和Cr3的充放电过程完全同步，不可控整流桥的B相和C相二极管同时开断。在1个开关周期内，输入电压和电流可以假设为1个恒定值。

图2 电路理论工作波形Fig.2 Theoretical waveforms of the OBC

图2 给出了2个通道的理论工作波形，2个通道共分为12个工作模态。各工作模态的等效电路如图3所示。

由于交错并联的2个通道结构及控制方法完全一致，因此理论分析部分只对单通道的工作原理进行分析。

在电路设计中Cr1～Cr3的电容值相等，在以下分析中均以Cr表示。以下公式中Ix|Tn,Ux|Tn，分别表示各电压、电流变量模态结束时刻的数值表达式，由于篇幅所限，没有详细列出，其中x代表各元器件：S,Dd,Cr1,Cd,Lr,Lf；n代表模态Ⅰ-Ⅵ。UCd|T0表示电容Cd两端电压在t0时刻的初始值。

图3 各工作模态等效电路Fig.3 Equivalent circuits of each operating modal

1.2.1 模态Ⅰ（t0—t3）

D1～D6，S1和 Dd关断，Cr1～Cr3，由输入电流充电。本阶段中由Lr提供输出续流电流，Cd以iLr的速度放电。当uCd减小到0时，Dd导通，本阶段结束。通过求解该阶段的状态方程，可以得到本阶段各器件电压电流的表达式为

1.2.2 模态Ⅱ（t3—t7）

本阶段中Dd导通，D1～D6和S1关断。同样由Lr提供输出续流电流，模态Ⅱ和模态Ⅰ的区别在于续流电流不再通过Cd而是流过Dd。Cr1～Cr3继续由输入电流充电，S1导通后本阶段结束。本阶段各器件电压电流的表达式如下：

1.2.3 模态Ⅲ（t7—t8）

D1,D5,D6,S1和Dd导通，其他开关器件关断。Cr1～Cr3和 Lr发生谐振，当 iLr增加到0后本阶段结束。本阶段各器件电压电流的表达式如下式：

1.2.4 模态Ⅳ（t8—t10）

D1,D5,D6和S1导通，D2～D4和 Dd关断，Cd，Cr和Lr发生谐振，Cd由iLr充电。当Cr两端电压减小到0后本阶段结束。本阶段各器件电压电流的表达式如下：

1.2.5 模态Ⅴ（t10—t11）

D1～D6和 S1导通，Dd关断。 Lr和Cd发生谐振，本阶段is1可分为2部分：一部分由输入电流提供；超出输入电流的部分由整流桥二极管续流，因此本阶段D1～D6全部导通。当is1减小到0.5 IPM后本阶段结束。并且一旦is1＜0.5IPM，则iCr1＞0，输入侧电容将开始充电。本阶段各器件电压电流的表达式如下：

1.2.6 模态Ⅵ（t11—t12）

D1,D5,D6和 S1导通，D2～D4和 Dd关断，Cr，Cd和Lr发生谐振。当is1减小到0后本阶段结束，在此之后S1可以实现ZCS。本阶段各器件电压电流的表达式如下：

通过各阶段的结束条件与式（1）～式（6）联立可以求得各阶段时长T1～T6表达式。式中C11,C21,C31,C32,C41,C51,C52,C61,C62以及 α3～α6为各阶段的常数参数。上述分析中各电压电流变量在上一阶段的最终值即为下一阶段的初始值。通过将各阶段初始值代入式（1）～式（6）即可求得上述常数参数，受篇幅所限，此处没有列出各参数的具体表达式。

2 电路设计

在上述模态分析的基础上，对系统参数进行了设计，并着重对软开关实现条件进行了分析。

2.1 软开关实现分析

系统不能实现软开关的情况分为2种：1）硬件参数不满足ZCS需求；2）硬件参数合理，而驱动信号不匹配。

2.1.1 硬件参数不合理

从图2中的系统理论工作波形以及上述工作模态分析，可以推导出软开关实现的约束条件。

模态Ⅰ和模态Ⅱ要足够长，Cr1～Cr3储存足够的能量，从而保证谐振电感电流谐振到正值。该约束条件可以表述为iLr增加到零时，Cr没有完全放电，即模态Ⅲ结束时，uCr为正值。

当Cr完全放电时，谐振电感电流应为正值，该约束条件表述为

模态Ⅴ和模态Ⅵ，Lr和Cd进行谐振。只有当Cd储存足够的能量时，谐振电感的电流才能达到0.5Iout，is1可以达到零从而实现ZCS。该条件可以表述为

2.1.2 驱动信号不匹配

分析可得，只有当硬件参数与驱动信号匹配的情况下才能实现ZCS。如图4a所示，如果IGBT在is1

减小到零之前关断，显然不能实现ZCS。此外，如图4b所示，如果在uS1增加到正值之后，IGBT上仍然有开通信号，则S1将会重新导通，从而不能实现ZCS。

图4 驱动信号不匹配情况下主要参数理论波形图Fig.4 Theoretical waveforms with mismatch driving signal

通过上述分析可知，驱动信号需要在iS1减小到0后关断，可得到约束条件如下式：

式中：Ton为S1的导通时间长度；Tδ为S1可以实现ZCS的时间区间长度。

并且驱动信号需要在IGBT端电压uS1再次增大到零前关断，iS1减小到零后IGBT端电压为ucr1减去ucd，可得约束条件如下式：

2.2 软开关边界条件

实现软开关必须满足硬件参数合理及驱动信号与电路匹配的2个条件。在上述分析的基础上，联立式（7）～式（12）可得额定（380 V输入线电压，400 V输出电压，8 Ω负载阻值）情况下的ZCS边界。图5给出了最短和最长导通时长Ton的约束条件以及软开关的边界条件。

图5 实现ZCS的约束条件Fig.5 Constraint conditions to realize ZCS

2.3 硬件参数设计

考虑到在充电过程中负载电压和电流均会发生变化，我们选取了1组在全负载变化范围内均能实现软开关的硬件参数：输入滤波电感La,Lb,Lc=2 mH；谐振电感 Lr=50 μH；输出滤波电感Lf=800 μH；输入侧谐振电容Cr1，Cr1，Cr3=0.65 μF；输出侧谐振电容 Cd=0.44 μF；输出滤波电容 Cf=860μF。

3 实验验证及结论

为了验证理论分析的准确性，搭建了一个8.5 kW实验平台进行了验证。并给出了1组实验结果，实验参数为：输入电压230 V，输出200 V，负载6 Ω，驱动频率30 kHz，导通时间15 μs。

图6给出了输入线电压、输入电流和输出电流波形。

图6输入线电压、输入电流和输出电流实验波形Fig.6 Experimental results of input voltage，input and output current

图7 给出了IGBT电压uS，IGBT电流iS1，谐振电感电流iLr和单通道的输出电流0.5iout波形。

图7 IGBT端电压、电流、单路输出电流和谐振电感电流Fig.7 Voltage and current of IGBT，single-channel output current and inductor resonant current

可见，实验结果与理论分析结果一致，且IGBT可以实现ZCS。

通过实验可以测出实验平台的效率、THD和PF曲线分别如图8和图9所示。

图8 效率曲线Fig.8 Measured efficiency curve

分析可得，随着功率增加系统转换效率维持在93.5%至94.0%之间，在最大功率点，THD为4.3%，PF为0.98。

图9 THD和PF曲线Fig.9 Measured THD and PF curves

4 结论

本文提出了一种三相交错并联的高效率高功率因数软开关车载充电电路，分析了软开关实现条件。最后建立了一个8.5 kW的实验平台，并进行了实验，结果与理论分析一致，测得效率为93.5%，功率因数为0.98，THD为4.3%。证明该电路适合高功率、高效率的电动汽车车载充电器应用。

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Research of a ZCS-Buck Soft Switching Topology Used for OBC

LI Wei，MENG Zhun，WANG Yifeng
（School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

An interleaved high-power ZCS OBC based on the three-phase single-switch buck rectifier was proposed for application to plug-in electric vehicles（EVs）.The multi-resonant structure was used to achieve ZCS of IGBTs and ZVS of the fly-wheel diodes，which could meet the high power，high efficiency and high power density requirements of OBC.The operating principle of the proposed circuit was introduced，and the border conditions of ZCS converting was mainly focused on.Based on the theoretical analysis，a set of circuit parameters were selected.Furthermore，a 8.5 kW prototype was established，experimental results verify the accuracy of the theoretical analysis.

electric vehicle；onboard charger；zero-current switching；interleaved parallel

TM461

A

10.19457/j.1001-2095.20171004

国家863高技术研究发展计划（2015AA050603）；国家自然科学基金项目（51307117）

李微（1990－），女，博士研究生，Email：liweitju@hotmail.com

2016-09-22

修改稿日期：2016-11-23