在全球大力倡導節(jié)能減排、環(huán)境保護的大背景下，電動汽車憑借其低污染、低能耗等優(yōu)勢，成為了汽車行業(yè)未來發(fā)展的重要方向。然而，電動汽車的普及與廣泛應用仍面臨著諸多亟待解決的問題，其中充電技術便是關鍵之一。目前，電動汽車主要的充電方式包括常規(guī)充電、快速充電、無線充電以及更換電池等。其中，更換電池方式具有電動車電池無需現(xiàn)場充電、更換時間短等優(yōu)點，且更換下來的電池可由充電站統(tǒng)一充電。但由于充電站每天更換下來的電池數量和型號各異，對充電電源的電壓、電流和功率提出了多樣化的要求。為滿足電動汽車充電站的這一需求，本文精心設計了一種電壓在 0 - 100 V 可調、電流在 0 - 100 A 可調、最大功率為 10 kW 的電動汽車充電模塊。該電源模塊既可以獨立作為一個可調電壓、電流源使用，也能夠將多個模塊進行串并聯(lián)，以實現(xiàn)更大電壓、電流和功率的輸出要求。

電路結構與工作原理

系統(tǒng)總體結構

該電源模塊的總體系統(tǒng)結構主要由三相整流模塊、全橋 IGBT 功率模塊、高頻變壓器、輸出濾波電感、輸出濾波電容和主控制電路組成。其輸出方式分為恒壓輸出和恒流輸出兩種，因此反饋回路也有兩路。一路是內環(huán)為限流環(huán)、外環(huán)為電壓環(huán)的反饋回路（恒壓輸出方式）；另一路是僅有電流環(huán)的反饋回路（恒流輸出方式）。兩路反饋信號經過一個由單片機控制的多路模擬選擇器送入移相控制芯片 UCC3895，產生 PWM 信號，再通過 IGBT 驅動電路控制 IGBT。在恒壓模式下，內環(huán)的限流環(huán)可起到限流作用；在恒流模式下，系統(tǒng)的最大輸出電壓即為全橋電路以最大占空比輸出時的電壓，無需進行限壓，僅存在一個電流環(huán)。系統(tǒng)中的電壓、電流環(huán)均采用限幅 PI 調節(jié)器，由硬件電路實現(xiàn)，以確保電源模塊負反饋的快速性。而電壓參考 Uref、電流參考 Iref、恒壓和恒流兩個工作模式的選擇、過壓、欠壓、過流、過溫保護以及與計算機的通信等功能，則由單片機完成，以實現(xiàn)電源模塊的靈活性。

主功率電路及反饋回路

全橋變換器拓撲因其開關管的穩(wěn)態(tài)關斷電壓等于直流輸入電壓，而非推挽、單端正激或交錯正激拓撲的兩倍，且輸出為具有正負的全波，不會造成變壓器磁芯偏磁，所以廣泛應用于大功率電源中。本電源模塊采用全橋變換器拓撲結構，如圖 2 所示。VS1、VS2 組成變換器的超前橋臂，VS3、VS4 組成滯后橋臂，LK 為變壓器漏感，Cb 為隔直電容，用于平衡變壓器伏秒值，防止變壓器偏磁。變壓器變比為 3:1，次級輸出采用全橋整流。該拓撲利用變壓器漏感 LK 和功率開關管的并聯(lián)電容 C1、C2 產生諧振，實現(xiàn)超前臂的零電壓開通與關斷；變壓器副側采用由 Dh、Dr、Dc 組成的輔助電路實現(xiàn)滯后臂的零電流開通與關斷。通過改變對角線上開關管驅動信號之間的相位差來改變占空比，從而調節(jié)電源輸出功率。其主要工作波形如圖 3 所示。

該全橋拓撲的超前臂實現(xiàn) ZVS 的條件是在死區(qū)時間內，要有足夠能量抽走將要開通的開關管的并聯(lián)電容上的電荷，使電容電壓下降為零。經計算，在輸入電壓 Vin = 513 V，輸入電流最大為 33 A，1μs 時達到 ZVS 的條件下，可得出相關參數。滯后臂要實現(xiàn) ZCS，要求原邊電流在超前管關斷后到滯后管關斷前這段時間里能夠減小到零，即電容 Cc 上儲存的能量要大于變壓器漏感中的能量。通過計算可得 Cc = 0.43μF。該電源模塊能夠實現(xiàn)串并聯(lián)，其電流采樣采用霍爾電流傳感器，電壓采樣采用差分信號反饋，只與輸出電壓正負兩端的電壓差有關。在兩個模塊串聯(lián)時，上下電源模塊的 V - 端電壓不同，但對每個電源模塊的電壓反饋無影響。此外，控制電和主電路也是隔離的，因此該電源模塊可實現(xiàn)串并聯(lián)。電壓反饋信號 V + 和 V - 經過差分式減法電路得到電壓反饋信號 Vo。電壓電流調節(jié)器的傳遞函數表明，該調節(jié)器由一個 PI 調節(jié)器和一個濾波調節(jié)器組成。通過調節(jié) R5 和 R6 的比值可改變比例系數，調節(jié) R5 和 C1 可改變積分常數。該調節(jié)器還可提供一個原點極點、一個低頻零點和一個高頻極點的補償網絡，選擇合適的參數可調節(jié)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與快速性。圖 4 中的穩(wěn)壓管對調節(jié)器起到限幅作用。

IGBT 驅動

本電源模塊的 IGBT 驅動電路由變壓器和光耦組成。交流 15 V 輸入（由直流 15 V 經過由 MOSFET 組成的 H 橋逆變得到）送入一個多抽頭高頻變壓器（工作頻率為 30 kHz），變壓器副側輸出經全波整流濾波后給光耦供電，每個驅動電路驅動一個 IGBT。該驅動電路具有以下特點：

1. 產生導通 IGBT 所需的正向柵極電壓 VGE，當光耦導通時，Vo 輸出電壓為 VCC，相對于變壓器中點電壓 VE 是正的驅動電壓。
2. 產生 IGBT 關斷所需的負壓 VGE，當光耦關斷時，Vo 輸出電壓為 VEE，相對于變壓器中點電壓 VE 是負的關斷電壓，可快速關斷 IGBT，并有效防止因 IGBT 快速關斷帶來的誤導通，保證 IGBT 安全、可靠地工作。
3. 驅動電路與主電路和控制電路均隔離，控制光耦的兩路 PWM 信號是同一橋臂上下兩個管子的 PWM 信號，只有 PWMA 為高、PWMB 為低時，光耦才導通，下管的驅動相反，可防止兩只管子同時導通。
4. IGBT 的柵射極之間并接兩只反串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管，可有效抑制驅動電路出現(xiàn)的高壓尖脈沖，保護 IGBT。
5. 4 個驅動電路彼此之間幾乎無相互干擾，因為采用不同變壓器。與許多采用 TOPSwitch 結構，用一個變壓器產生多組隔離電壓提供關斷 IGBT 所需負壓的電源相比，本電源的驅動方法不存在彼此引進干擾的問題。

電源模塊的串并聯(lián)

該電源模塊既可以獨立作為電源使用，也可進行串并聯(lián)。當多個模塊串并聯(lián)時，只需在上層用一個控制器給定各個電源模塊的電壓、電流值，且各模塊的電壓、電流給定會根據負載和電源之間的回流實時變化，以實現(xiàn)各電源模塊之間的均流、均壓。這種設計使得電源使用非常靈活，能單獨使用，也能串并聯(lián)使用，非常適合電動汽車充電站滿足各種不同功率的充電需求。

實驗結果分析

根據上述設計，研制了一臺功率為 10 kW 的實驗樣機。部分實驗波形如圖 6 所示。從圖 6 可以看出，驅動電路提供的負電壓可保證 IGBT 關斷時，VGE 在 0 V 以下，且驅動電路抗干擾能力良好。超前臂 IGBT 開通時，VCE 已為零，關斷時 VCE 緩慢上升，實現(xiàn)了 ZVS。由圖 7 可知，滯后臂 IGBT 開通時，電流上升緩慢，關斷時電流已為零，實現(xiàn)了 ZCS。

結論

本文設計的適合電動汽車充電的電源，采用了全橋變換器拓撲和硬件電壓電流環(huán)。在超前臂 IGBT 并聯(lián)合適的電容，在變壓器副邊增加簡單的輔助電路，實現(xiàn)了移相全橋 ZVS、ZCS 軟開關技術，大大降低了 IGBT 開關器件的損耗。設計的變壓器加光耦的 IGBT 驅動電路可實現(xiàn) IGBT 的可靠開關，且抗干擾能力強，經實驗驗證效果良好。最后樣機的成功實現(xiàn)，充分證明了本設計的可行性。