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充电桩移相全桥DC/DC变换电路设计

时间:2020-09-11 来源:长春工业大学 本文字数:6471字
作者:杨帅 单位:长春工业大学
  摘  要
  
  在电动汽车日益普及,充电技术越来越受到关注的背景下,本文设计了一直流充电桩电路。根据分析研究设计了合适拓扑结构和控制策略,满足了具体指标要求。
  
  本文分析了传统PFC电路及常用无桥PFC电路的拓扑结构,论述了各拓扑结构的优缺点,选择改进型无桥Boost PFC电路作为直流充电桩的前级结构。详细分析了改进型无桥Boost PFC电路的工作过程,并建立其数学模型。另外,简单介绍了几种常见无桥PFC控制策略。


充电桩移相全桥DC/DC变换电路设计
 
  
  在分析DC/DC电路常见拓扑结构基础之上,本文选择了移相全桥DC/DC变换电路作为直流充电桩的后级结构。详细分析了移相全桥DC/DC变换电路的工作原理,研究了该电路的ZVS开通条件、副边占空比丢失问题,并建立其小信号模型。另外,简单介绍了单闭环控制和双闭环控制策略。
  
  在分析单周期控制策略基本原理的基础之上,本文详细分析了单周期控制策略在无桥Boost PFC电路中的工作原理,并分析了其稳定性条件。然后,介绍了电流控制模式的概念,分析了峰值电流控制模式和平均电流控制模式,并详细分了平均电流控制模式在移相全桥DC/DC变换电路的工作原理。
  
  基于上述理论研究,根据具体的电路指标设计了无桥Boost PFC电路的具体参数和移相全桥DC/DC变换电路的具体参数,根据控制要求设计了对应的控制电路。最后,在Maltlab/Simulink软件中搭建了仿真模型,仿真结果表明输出电压稳定,纹波值小,达到了预期的指标要求,验证了所设计电路及控制策略的可行性与有效性。
  
  关键词:     直流充电桩   无桥Boost PFC电路   移相全桥DC/DC变换电路   单周期控制平均电流控制。
  
  Abstract
  
  In this paper, a circuit of DC charging pile is designed with the increasing popularity of electric vehicles and the increasing  attention  paid  to  charging  technology.  The  suitable topology  and  control  strategy  are  designed  according  to  the  analysis  and  research,  which meet the specific requirements.
  
  In this paper, the topology of the traditional PFC circuit and the bridgeless PFC circuit are  analyzed  and  the  advantages  and  disadvantages  of  each  topology  are  discussed.  The improved bridgeless Boost PFC circuit is chosen as the front structure of the DC charging pile.  The  working  process  of  the  improved  bridgeless  Boost  PFC  circuit  is  analyzed  in detail,  and  its  mathematical  model  is  established.  In  addition,  several  common  bridgeless PFC control strategies are briefly introduced.
  
  On the basis of analyzing  the common topology  of DC/DC  circuit,  the  phase-shifted full-bridge  DC/DC  transform  circuit  is  chosen  as  the  back  stage  structure  of  the  DC charging pile in this paper. The working principle of the phase-shifted full-bridge DC/DC transform  circuit  is  analyzed  in  detail.  The  ZVS  switching  condition  and  the  loss  of  the secondary duty cycle of the circuit are studied, and its small signal model is established. In addition,  the  single  closed  loop  control  and  the  double  closed  loop  control  strategies  are briefly introduced.
  
  On the basis of analyzing the basic principle of one cycle control strategy, this paper analyzes  the  working  principle  of  one  cycle  control  strategy  in  bridgeless  Boost  PFC circuit  in  detail,  and  analyzes  its  stability  condition.  Then,  the  concept  of  current  control mode is introduced. The peak current  control mode and the average current control mode are  analyzed,  and  the  working  principle  of  the  average  current  control  mode  in  the phase-shifted full-bridge DC/DC transform circuit is analyzed in detail.
  
  Based on the above theoretical  research,  according to  the specific index,  the specific parameters  of  the  bridgeless  Boost  PFC  circuit  and  the  specific  parameters  of  the phase-shifted  full-bridge  DC/DC  converter  are  designed.  According  to  the  control requirements,  the  corresponding  control  circuit  is  designed.  Finally,  the  simulation  model is built in Matlab/Simulink software. The simulation results show that the output voltage is stable,  having  a  smaller  ripple  value  and  meeting  the  expected  requirements.  The feasibility and effectiveness of the designed circuit and control strategy are verified.
  
  Key  words:    DC  charging  pile   The  bridgeless  Boost  PFC  circuit   The  phase-shifted full-bridge  DC/DC  transform  circuit   One  cycle  control   Average  current control 。
  
  第 1 章    绪 论
 
  
  1.1、本课题研究的背景与意义 。

  
  近些年,发展中国家的汽车产业不断发展,日益崛起,尤其以中国为代表的亚洲汽车市场需求量逐年增长。截至2017年末,我国汽车保有量已达2.17亿量,而且还在不断快速增长。汽车的不断普及虽然给人们的交通带来了很大的方便性,然而还应该看到不断增加的汽车对环境带来的压力和对化石能源巨大的需求量。每年华北地区雾霾极重要的原因之一就是汽车尾气,其对人们日益追求的健康生活影响巨大。化石能源是一次性能源,它的消耗会随着时间枯竭,尤其我国对石油的消耗量巨大,但是石油的对外依存度很高,已经超过60%。为了保护地球这一人类的共有家园,各国都在不断加大力度保护环境,严格限制汽车尾气排放,不断出台严格标准,并不断研发新技术,逐步淘汰燃油车,出台禁售燃油车的截至年限。
  
  在化石能源面临枯竭与环境污染日益严重的背景下,传统汽车行业的能源转型已成为必然趋势,而普遍的认知是电动汽车(Electric Vehicle, EV)为代表的新能源汽车将是未来汽车行业发展的主流方向[1]。电动汽车具有环保性、高效性、方便性,与传统汽车相比优势明显。电动汽车小噪音、高效率、无污染、零排放等特性正符合人们对美丽家园、健康生活的需求。现在世界各国因为能源消耗和环境污染问题都对新能源汽车产业十分关注,其中电动汽车是世界各国都争相研究的重点,电动汽车产业的发展十分迅猛。在近十几年的发展过程中,电动汽车的销量逐年上升,人们对电动汽车的认可度逐渐提升。我国以电动汽车为首的新能源汽车保有量不断上升,截至2017年末,我国的新能源汽车拥有量已突破153万辆。随着电动汽车产业的迅速发展,其主要的两大技术工艺也在不停地迅猛发展,取得突破。一是电动汽车的电池材料储能密度更大、体积更小,高性能的电机技术不断进步;二是随着电力电子技术及其控制技术不断提高,电动汽车的充电技术更加便捷高效。电动汽车在价格、动力、续航方面的进步不断赶上燃油汽车甚至是超越,而这些优势的发挥都要依赖更加优良高效的充电技技术才能得到更好的体现。
  
  目前,新能源汽车已经作为我国未来汽车产业的主流发展方向[2],其相关行业的发展也逐渐走上了快速进步的道路。根据国家电动汽车科技发展的规划可知,我国电动汽车产业的“三步走”
  
  战略已经走到了第三阶段,其主要内容就是完善电动汽车的基础网络设施,对储能电池产业化发展更加完善到位,相关的电池充电技术进一步取得突破和完善。国家电网主导的汽车充电桩等一系列充电设备已经在全国不断布局,一些城市也已经在使用纯电动的公交车、出租车等。充电设备作为电动汽车行业不可或缺的一环会在未来拥有广阔的前景与市场。因此,充电技术的研究和设计对促进电动车的发展可以起到十分积极的作用。
  
  1.2、充电电源国内外研究现状。

  
  从当前充电电源在市场上的主要种类来分析,一大类产品是相控电源;二大类产品是线性电源,三大类产品是开关电源。
  
  (1)相控电源相控电源为一种传统的电源,发明使用时间较长。电路组成主要有晶闸管、电感、工频变压器等器件。相控电源工作原理是先通过整流滤波把交流电变成直流电,然后调整功率开关器件的晶闸管相位角来达到控制输出电压的目标。因为相控电源使用的主变压器为工频变压器,而工频变压器体积较大,所以使得相控电源的体积相对也较大。此外,相控电源的功率因数(Power Factor,PF)低,动态性能较差,且总谐波畸变率(Total Harmonic Distortion,THD)较大。故而相控电源的应用逐渐减少,有逐渐淘汰的趋势。
  
  (2)线性电源线性电源是一种串联调整管连续控制输出电压的线性稳压电源[3]。电路组成主要有整流滤波器、调整管及工频变压器等器件。线性电源首先通过工频变压器将幅值较高的电网交流电变成幅值较低的交流电,然后通过整流滤波器将该交流电整流成直流电,滤波后传送给稳压电路,最终输出稳定的低压直流电。该电源电路中调整管的工作状态始终为线性放大区。虽然相对于相控电源它的体积有所减小,输出电压稳定性更高,纹波值更小,成本更低,但是该电源电路由于调整管的工作状态长期处于开通状态,损耗严重,发热量较大,谐波含量依然很大,和绿色电源的要求还有较大差距。
  
  (3)开关电源开关电源是一种节能型的电源。电路组成主要有功率变换电路、滤波电路、控制电路[4]。开关电源发展时间较短,通过将功率半导体器件用作开关,实现输出电压的调整。开关器件是随着占空比的长短来开通和关断的,以此实现电压的调整。开关电源不但体积小、功率因数高,而且动态响应特性优良、谐波含量较低。这些年在通信、电力等领域的应用十分广泛,得到了科技工作者的大量关注与研究。开关电源的研究中无桥PFC电路和DC/DC电路是不少学者研究关注的方向。
  
  1.2.1、无桥PFC电路研究现状。
  

  此交流电,一般为不可控整流环节,随后经过一个简单的滤波电路后输入给DC/DC变换电路,得到稳定输出的直流电压。但是随着半导体工艺技术的不断进步,近些年许多科研人员为了提高效率在充电电源中引入了无桥PFC结构。关于无桥PFC电路的研究,国内外有大量的科研人员对其作了分析和发展,并取得许多成果。
  
  美国电气与电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronic Engineers,IEEE)Fellow Milan M.Jovanovic学者等人对无桥Boost和无桥Buck的PFC电路进行了分析研究,在2008-2009年对Boost PFC电路的损耗和效率分析,设计了多磁芯、多线圈的电感,使得无桥Boost PFC电路对磁性材料利用率更高,并在2010-2011年提出了多种可以提高功率因数和实现低损耗的无桥Buck  PFC电路[5-8]。国际电力电子专家Willlian G.Dunford主席对无桥Boost PFC电路在电动汽车充电领域的应用开展研究,在2011年引入了无桥PFC电路于充电结构中的AC/DC结构并实现了小体积、高性能、低成本[9-10]。
  
  IEEE Member TB Soeiro等人提出了一种三电平单向无桥PFC电路结构,通过和传统两电平无桥PFC电路相比有更低的开关损耗[11]。哈尔滨工业大学王卫教授通过研究无桥PFC电路中的工作模式和控制算法,测试分析了无桥PFC电路在硬件条件中采用单周期算法与平均电流算法性能的优劣,并且提出使用了占空比预测的数字PFC方法,并对EMI问题进行了研究[12-13]。浙江大学吕征宇教授对图腾式无桥PFC电路研究分析,将软开关技术应用于无桥Boost  PFC电路中实现了功率因数的提高,提升了整体效率[14-15]。中国矿业大学教授王聪等人通过对输入电流存在传统无桥PFC电路控制策略下过零点存在畸变现象的研究,提出在控制算法中加入电流滞后环节进行控制,并且进行了仿真验证,实现了过零畸变问题的解决[16]。
  
  此外,国内外一些知名公司也对无桥PFC电路的应用展开了研究,用以实现产品的高性能、高效率。美国国际整流器公司将无桥PFC电路应用在变频空调中,美国国际商用机器公司应用无桥PFC电路在其产品当中。国内的中兴、华为公司在其通信电源中欲将无桥PFC电路应用,以实现提高电能利用率,减少谐波污染。传统的充电桩结构一般是由一个交流电作为输入,然后有一个桥式整流电路通过
  
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  1.2.2、 DC/DC变换电路研究现状,
  1.3、直流充电桩总体结构及充电过程
  1.4 、本文研究内容.
  
  第 2 章、无桥PFC电路拓扑结构及控制策略.
  
  2.1、传统PFC电路.
  2.2、无桥PFC电.
  2.2.1、无桥Boost PFC电路拓扑分析.
  2.2.2、其它无桥PFC电路拓扑分析.
  2.3、改进型的无桥Boost PFC电路选择及分析
  2.3.1、改进型无桥Boost PFC电路工作过程. .
  2.3.2、无桥Boost PFC 电路模型分析.
  2.4、无桥PFC电路控制策略.
  2.5、本章小结
  
  第 3 章、全桥DC/DC电路结构及控制策略
  
  3.1、 DC/DC 电路常见拓扑.
  3.2、移相全桥DC/DC变换电路工作原理.
  3.2.1、移相全桥变换电路拓扑结构
  3.2.2、移相全桥变换电路工作过程
  3.3、移相全桥电路关键问题分析
  3.3.1、移相全桥变换电路ZVS实现条件
  3.3.2、移相全桥电路占空比损失分析
  3.4、移相全桥DC/DC电路模型分析.
  3.5、移相全桥DC/DC电路控制策略
  3.6、本章小结.
  
  第 4 章、直流充电桩 电路控制策略.
  
  4.1、无桥PFC电路单周期控制策略
  4.1.1、单周期控制策略的基本原理
  4.1.2、 PFC电路单周期控制应用原理
  4.1.3、无桥PFC单周期控制稳定性分析.
  4.2、移相全桥电路平均电流模式控制策略.
  4.2.1、峰值电流模式和平均电流模式控制
  4.2.2、全桥DC/DC电路平均电流控制.
  4.3、本章小结.
  
  第 5 章、直流充电桩整 体电路设计.
  
  5.1、充电桩无桥PFC电路设计.
  5.1.1、 最大输入功率与最大输入电流
  5.1.2、输入电感设计.
  5.1.3、输出电容设计
  5.1.4、功率器件IGBT与功率二极管设计.
  5.2、充电桩移相全桥DC/DC电路设计
  5.2.1、功率开关管设计
  5.2.2、主电路变压器设计
  5.2.3、整流二极管设计
  5.2.4、输出滤波电感和电容设计
  5.2.5、谐振电容和电感的设计
  5.3、控制电路硬件设计
  5.3.1、无桥PFC控制电路设计
  5.3.2、移相全桥DC/DC控制电路设计
  5.4、本章小结
  
  第 6 章、仿真与分析.
  
  6.1、无桥Boost PFC电路仿真与分析.
  6.2、移相全桥DC/DC变换电路仿真与分
  6.3、整体电路仿真与分析
  6.4、本章小结

  7.1、 总  结

澳门威尼斯所有网址,澳门尼斯人app   在当前环境污染严重、化石能源短缺,电动汽车发展日益快速,充电技术研究不断受到关注的背景之下,本文研究和设计了一种直流充电桩的电路结构,并对其拓扑结构和控制策略进行了研究分析。主要的研究结果如下:

  (1)本文首先研究了直流充电桩前级结构AC/DC电路,从几种常见传统PFC电路入手分析,又研究了常见无桥PFC电路的工作特点及应用场合,综合研究之后选择一种改进型的无桥Boost  PFC电路作为AC/DC电路,并详细分析其工作过程,建立了它的数学模型,简单阐述了几种常见的控制策略。

  (2)对直流充电桩的后级结构DC/DC电路研究,分析了DC/DC常见的拓扑结构的特点。综合分析后选择了移相全桥DC/DC变换电路作为直流充电桩的后级电路,详细分析了其工作原理。在分析工作过程的基础之上对它的ZVS导通条件做了详细的推导分析,又对其占空比损失做了分析,并推导建立了移相全桥电路的小信号模型。最后对移相全桥电路的控制策略做了简单分析。

澳门威尼斯所有网址,澳门尼斯人app   (3)针对充电桩中无桥Boost PFC电路提出了采用单周期控制策略为其控制模式。通过对单周期控制基本原理的分析,对其在无桥Boost电路中的应用原理进行了研究,并且推导了单周期控制时无桥PFC稳定性条件;移相全桥DC/DC变换电路采用平均电流控制策略为其控制方式。先简单阐述了电流控制模式的概念与分类,分析了峰值电流模式和平均电流模式两者的优缺点,最后对移相全桥DC/DC电路的平均电流控制展开了详细研究。

  (4)通过对直流充电桩的总体结构进行分析,对充电桩整体结构有了清晰认识并对充电桩的充电特性进行了简单的介绍。然后,根据具体设计指标对直流充电桩前级结构无桥Boost  PFC电路参数和后级结构移相全桥DC/DC变换电路的参数进行了具体设计计算。最后,对采用IR1150S芯片和UC3875芯片的控制部分进行了设计说明。

  (5)通过Matlab仿真软件,搭建了无桥Boost PFC电路及控制子系统的仿真模型,仿真结果验证了所设计电路和单周期控制的有效性;搭建了移相全桥DC/DC变换电路及控制子系统的仿真模型,仿真结果验证了所设计电路和平均电流控制的有效性。

  最后,将无桥Boost  PFC电路和移相全桥DC/DC变换电路联合一起进行仿真,结果表明所设计直流充电桩整体电路及控制策略合理,满足预期要求。

  参考文献

  原文出处:直流充电桩电路设计[D]. 杨帅.长春工业大学 . 2018
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