電動汽車車載充電器Boost PFC AC/DC變換器設計

　　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略性新興產業，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用價值。采用前級AC/DC和后級DC/DC相結合的車載充電器結構框圖如圖1所示。

　　當車載充電器接入電網時，會產生一定的諧波，污染電網，同時影響用電設備的工作穩定性。為了限制諧波量，國際電工委員會制定了用電設備諧波限制標準IEC61000-3-2，我國也發布了國標GB/T17625.為了符合上述標準，車載充電器必須進行功率因數校正(PFC)。PFC AC/DC變換器一方面為后級DC/DC系統供電，另一方面為輔助電源供電，其設計的好壞直接影響車載充電器性能。

　　圖1電動汽車車載充電器結構框圖

　　鑒于純電動汽車車載充電器對體積、諧波有著苛刻的要求，本設計采用有源功率因數校正(APFC)技術。APFC有多種拓撲結構，由于升壓式拓撲具有驅動電路簡單、PF值高和具有專門控制芯片的優點，選取Boost拓撲結構的主電路。考慮各種基本控制方式，選取了具有諧波失真小、對噪聲不敏感和開關頻率固定技術優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計需求，重點研究PFC AC/DC變換器，包含系統主電路和控制電路設計，并在上述研究的基礎上，開展系統仿真和實驗測試驗證研究，電路圖見圖2.

　　圖2 Boost PFC AC/DC變換器電路原理圖

　　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拓撲的主電路結構，以及連續模式下的平均電流控制控制策略。主電路由整流電路和Boost升壓電路構成;控制電路采用電流內環、電壓外環的雙閉環控制方式，原理框圖見圖3.

　　圖3主電路和控制電路原理框圖

　　2 PFC AC/DC變換器主電路設計

　　PFC AC/DC變換器主電路由輸出濾波電容、開關器件、升壓電感等器件構成，其參數設計如下。

　　2.1輸出濾波電容

　　輸出濾波電容可濾除由開關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，選取的器件需較好地實現以上兩個功能。

　　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。

　　據計算結果，選取3個220μF/400 V、1個330μF/400 V電解電容并聯。

　　2.2開關器件

　　功率管開關器件的選擇主要考慮以下參數：耐壓值、通態電流值以及功率管開關頻率。在高開關頻率場合，常選取MOS管，但單個MOS管通態電流較小，為了增加通流能力，本系統選用兩個MOS管并聯。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。

　　2.3升壓電感

　　升壓電感的設計思路為：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為開關頻率，Lmin為電感量最小值，△Ilmax為電感電流紋波最大值。升壓電感最小取值隨之確定，為108μH.