王爽 汪琴芳 支忠山

摘要：為了減少電動汽車充電時對電網(wǎng)的諧波污染，必須對充電設(shè)備進行功率因數(shù)較正。針對3kW的電動汽車車載充電機，前級PFC電路采用了交錯并聯(lián)Boost PFC拓撲和數(shù)字平均電流法的雙閉環(huán)控制設(shè)計方案。著重分析了主電路拓撲結(jié)構(gòu)、器件設(shè)計以及數(shù)字化的控制策略。最后，通過MATLAB仿真與3.2kW樣機驗證，數(shù)字控制的交錯并聯(lián)Boost PFC電路實現(xiàn)功率因數(shù)為1，輸出電壓紋波與輸入電流紋波均低于5%，滿足車載充電的同時減少電網(wǎng)的諧波污染。

關(guān)鍵詞：數(shù)字控制；交錯并聯(lián)Boost；PFC；車載充電器

中圖分類號：TM46 文獻標志碼：A文章編號：1672-1098（2017）04-0066-05

Abstract：In order to reduce harmonic pollution on the grid when electric vehicle is charging， electric Vehicle Charger must have power factor correction. In terms of electric vehicle charger rated power 3 kW， the interleaved parallel Boost PFC topology and the double closed-loop control based on digital average current control were selected to carry out PFC circuit. The design process of the PFC circuit including device parameters configuration and control strategy was investigated in this paper. Finally， according to the MATLAB simulation and a 3.2kW experimental prototype， the circuit implementation power factor of the interleaved parallel Boost PFC circuit by digital control was 1， and the output voltage and input current ripple was both less than 5%， which meet the vehicle charging requirement and meanwhile reduce the harmonic pollution.

Key words：Digital Control； Interleaved parallel Boost； PFC； Electric Vehicle Charger

有源功率因數(shù)校正技術(shù)（Power Factor Correction，PFC）是抑制電流諧波、提高功率因數(shù)、降低電力電子裝置對電網(wǎng)污染的有效方法[1-2]。隨著近年來新能源電動汽車的廣泛推廣，車載充電機設(shè)備加入功率因數(shù)校正電路，可以大大的減少對交流電網(wǎng)的諧波污染[3-5]。目前車載充電機應(yīng)用最廣泛的是PFC電路加DC/DC電路的兩級硬件方案[6-8]，該方案中PFC電路采用傳統(tǒng)的Boost升壓電路拓撲，具有專門的模擬控制芯片[9]。該方案電路具有控制復(fù)雜、不易調(diào)試與維護等缺點，且傳統(tǒng)的Boost升壓電路已不滿足功率等級提高的要求，而交錯并聯(lián)Boost PFC拓撲結(jié)構(gòu)具有減少的輸入電流紋波、降低功率器件電流應(yīng)力且提升功率等級等[10-13]優(yōu)點，被應(yīng)用于在中大功率的電子設(shè)備中。

本文針對傳統(tǒng)家用電動汽車的車載充電設(shè)備，車載電池容量40A/h、功率3 kW的車載充電機，設(shè)計一臺功率3.2 kW交錯并聯(lián)Boost PFC電路樣機，重點分析主電路工作原理、主電路參數(shù)計算以及控制方法；同時采用數(shù)字化實現(xiàn)平均電流雙閉環(huán)控制策略。最后，通過仿真和實驗進行驗證。

1交錯并聯(lián)BOOST PFC的設(shè)計

基于數(shù)字控制的PFC變換器采用的是兩路單管Boost PFC交錯并聯(lián)的拓撲結(jié)構(gòu)，既可降低開關(guān)器件的平均電流應(yīng)力和輸入電流紋波，同時又大大減小了單個電感體積。交錯并聯(lián)Boost PFC的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

交錯并聯(lián)Boost PFC由功率管Q1/Q2、二極管D1/D2、電感L1/L2以及濾波電容C組成，輸入側(cè)還包括輸入EMI濾波、緩啟輸入繼電器以及二極管全波整流電路。PFC升壓輸出為390 V/3 200 W直流電，功率開關(guān)管的工作頻率為50kHz。交錯并聯(lián)boost PFC主電路的參數(shù)設(shè)計如下。

1.1PFC電感設(shè)計

2控制系統(tǒng)設(shè)計

功率因數(shù)校正電路的主要要求是：控制電感電流，使得其輸入電流基波和輸入電壓同相位，達到功率因數(shù)為1的目標；同時確保直流輸出電壓的穩(wěn)定。PFC數(shù)字控制策略采用平均電流控制方法[14-19]，其控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3MATLAB仿真

利用MATLAB軟件對本文所設(shè)計的電路與控制環(huán)設(shè)計進行仿真分析[20]，驗證了拓撲結(jié)構(gòu)與控制算法的正確性。交錯并聯(lián)boost PFC的輸出電壓為390V，輸出功率為3.2kW，電壓環(huán)控制周期為10kHz，電流環(huán)控制周期為50kHz，功率管的開關(guān)頻率為50kHz，其它器件參數(shù)與計算一致，所帶的負載為固定阻性負載。電壓、電流環(huán)及直流電壓采集IIR濾波器的控制圖如圖3所示。

仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。為了方便與輸入電流波形進行比較，圖4中的交流輸入電壓波形顯示縮小為真實值的20%。仿真結(jié)果表明輸入電流波形很好的跟蹤輸入電壓波形的相位，其輸入功率因數(shù)為1，且保持很好的正弦特性。圖5中，直流輸出電壓紋波小，具有很高的穩(wěn)定性。

4實驗結(jié)果

實際的樣機中采用TI公司的C2000系列DSP芯片，功率開關(guān)管的型號為ST公司的STW45NM60，開關(guān)頻率為50kHz，控制環(huán)的設(shè)計與仿真一致。直流輸出電壓為390 V，輸出功率為3.2 kW，所帶的負載為固定功率負載。直流輸出電壓采樣處理過程中，設(shè)計一個IIR濾波，抑制輸出電壓的二次諧波作用在電流環(huán)上，為電流環(huán)提供穩(wěn)定基準。實際電壓與電流波形如圖6所示。

圖6中，由于電流的基準波形參考交流輸入電壓的瞬時值，而不是標準的正弦波形，電流輸入波形完全對應(yīng)于電壓波形，使其引入了一定的電流諧波的缺點，但優(yōu)點在于，電網(wǎng)的輸入電壓波形頻率抖動的時候，可以很好的達到功率因數(shù)要求。

5結(jié)論

本文對數(shù)字化交錯并聯(lián)BOOST PFC電路在車載充電機中的應(yīng)用進行了研究。通過仿真與實驗結(jié)果表明：

1）充電設(shè)備功率因數(shù)達到1，減少了電網(wǎng)的諧波污染；

2）降低了開關(guān)器件的平均電流應(yīng)力，提高了功率等級；

3）輸出電壓紋波與輸入電流紋波小且均低于5%；

4）數(shù)字化實現(xiàn)使得系統(tǒng)控制簡單、可靠性高及智能化程度高。

參考文獻：

[1]ABRAHAM I PRESSMAN.開關(guān)電源設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013：427-434.

[2]賁洪奇，張繼紅，劉桂花，等.開關(guān)電源中的有源功率因數(shù)校正技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010：

5-236.

[3]王曉明，侯福深.中國電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國發(fā)展評論（中文版）， 2012（4）：33-38

[4]江友華.電動汽車智能充電器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電力電子技術(shù)，2012，46（2）：38-40.

[5]段朝偉，徐海剛.電動汽車智能充電系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子器件，2013， 36（2）：256-259.

[6]陳小虎，陳息坤.新型混合動力電動汽車車載充電機的研究[J].電氣傳動自動化，2015，37（6）：21-25.

[7]劉湘，王艷，趙立勇.基于DSP控制的大功率車載充電機的研制[J].電子設(shè)計工程，2015，23（4）：24-27.

[8]楊婷，景占榮，高田.電動汽車車載智能快速充電器的研究與設(shè)計[J].現(xiàn)代電力，2010，27（5）：62-66.

[9]孫寶文，王志強，李廣全，等. 單級功率因數(shù)校正（PFC）變換器的設(shè)計[J]. 通信電源技術(shù)， 2003，19（4）：5-7.

[10]趙相瑜，袁繼敏，王艷碩.交錯并聯(lián) Boost PFC 電路的應(yīng)用研究[J]. 電力電子技術(shù)，2010，44（1）： 65-67.

[11]李季，李洪珠.耦合電感在交錯并聯(lián) Boost 變換器中的應(yīng)用研究[J]. 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，28（4）： 382-386.

[12]NUSSBAUMER T， RAGGL K， KOLAR J W. Design Guidelines for Interleaved Single-Phase Boost PFC Circuits [J]. Industrial Electronics IEEE Transactions on， 2009， 56（7）：2 559-2 573.

[13]ISHIURA N， SAWADA H， YAJIMA S. Analysis， Design and Implementation of an Interleaved Single-Stage AC/DC ZVS Converters [J]. Journal of Power Electronics， 2012， 12（2）：258-267.

[14]文雪峰，佃松宜，鄧翔，等.基于數(shù)字雙環(huán)控制的功率因數(shù)校正控制算法[J].電力系統(tǒng)自動化，2014，38（3）：36-40.

[15]SHEN M S， KANG W Y， QIAN Z M. Average modeling of Single Stage Flyback PFC+Flyback DC/DC converter[J]. Journal of Zhejiang University-SCIENCE A， 2002， 3（1）：77-81.

[16]OH C Y， KIM D H， WOO D G， et al. A High-Efficient Nonisolated Single-Stage On-Board Battery Charger for Electric Vehicles [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2013， 28（12）：5 746-5 757.

[17]張衛(wèi)平. 開關(guān)變換器的建模與控制[M].北京：中國電力出版社，2005：78-90.

[18]CLARK C W， MUSAVI F， EBERLE W. Digital DCM Detection and Mixed Conduction Mode Control for Boost PFC Converters [J]. Power Electronics IEEE Transactions on， 2014， 29（1）：347-355.

[19]梅寒杰，何樂年.一種新穎的高功率因素PFC的數(shù)字控制方法[J].電源技術(shù)，2015，39（2）：360-362.

[20]任海鵬，劉丁.基于Matlab的PFC Boost變換器仿真研究和實驗驗證[J].電工技術(shù)學(xué)報，2006，21（5）：29-35.

（責任編輯：李麗，編輯：丁寒）