电动汽车充电系统中单开关有源功率因数校正的研究

© 2013年。由爱思唯尔公司出版由美国应用科学研究所负责选择和/或同行评审可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectIERI Procedia 4（2013）126 - 1322013年电子工程与计算机科学电动汽车充电系统中单开关有源功率因数校正的研究韩宇晨1，2，3，4，徐海平2，3，4，李东旭2，3，4，张祖智2，3，4，石磊1，2，3，4 *1中国科学院大学，石景山区，北京，中国2中国科学院电气工程研究所北京市海淀区1001903中国科学院电机工程研究所电力电子与电力拖动重点实验室，北京，中国O.box4电力电子器件封装技术北京工程实验室，北京摘要面对能源危机和日益严峻的环境污染压力，电动汽车已成为汽车发展的新方向。为了满足电动汽车充电对高功率因数（PF）的要求，本文拟在电感电流“连续导通模式”（CCM）下实现电压、电流双闭环控制下的单开关有源功率因数校正（APFC）功能本文利用Saber软件对单相和三相PFC系统进行了仿真，最后研制了一台3KW的实验样机。功率实验结果验证了该方法的可行性。功率因数可提高到接近1，在实际工程中具有较好的应用价值。© 2013作者。由Elsevier B. V.在CC BY-NC-ND许可下开放获取。信息工程研究院负责评选和同行评议关键词：APFC; CCM;电动汽车充电系统;单开关1. 介绍随着化石燃料的不断枯竭和环境污染的日益严重，新能源已成为研究的热点方向。电动汽车作为一种无污染的交通工具，在市场上将具有很大的优势。传统的电动汽车充电系统采用DC-DC级联的二极管整流桥拓扑结构，存在输入电流谐波含量高、吸收电网无功功率等缺点。因此，输入功率因数非常低。为了解决上述问题，需要一种功率因数校正电路来提高功率因数，降低电流谐波含量。本文采用平均电流控制的Boost变换器电压、电流双闭环控制方法，*通讯作者：韩宇晨.联系电话：电话：010-82547233电子邮件地址：hanyuchen10@mail.iee.ac.cn。本文得到国家自然科学基金项目（编号：51077122）的2212-6678 © 2013作者由Elsevier B. V.在CC BY-NC-ND许可下开放获取。信息工程研究所负责的选择和同行评审doi：10.1016/j.ieri.2013.11.019Yuchen Han等人/ IERI Procedia 4（2013）126127仿真和实验结果表明，单开关功率因数校正器能够满足高功率因数和低总谐波失真的要求，可以作为电动汽车3KW充电机的前级产品。2. 单开关PFC电路及CCM控制策略下图1是单相单开关PFC的主电路，它由二极管整流桥、电感、MOSFET、电容和电阻负载组成。该电路是一个升压变换器，所以它有两种工作模式：开关导通和开关非导通模式。当开关导通时，电源对电感充电该电路的优点是：输入电流在整个正弦电压周期内可以连续调制，因此PF可以很高。此外，驱动电路简单，MOSFET的峰值电流低。Fig. 1. 单相单开关功率因数图2是三相单开关PFC的主电路，当输入三相电压平衡时，三相PFC电路的原理与单相PFC电路相似。图二. 三相单开关功率因数PFC电路本质上是一个AC/DC变换器。标准转换器使用脉宽调制（PWM）技术来调整输入功率，以为负载提供适当的功率。双闭环控制结构如图3所示。将采样输出电压与参考电压进行比较，经PID校正后的差值即为电压输出。该误差信号用于改变与电流环路一起工作的脉冲宽度电压环使输出电压更稳定。如果输出电压较高，则脉冲宽度减小，从而使输出电压较低，使得输出电压恢复到正常输出值。这就是电压环路的原理128Yuchen Han等人/ IERI Procedia 4（2013）126图三. 双闭环控制电流环是反馈控制的内环。输出电压乘以某个正弦波的绝对值。将测量结果与电流传感器采集的输入电流进行比较，误差经PI运算后为调制波最后，它被添加到一个运算放大器，另一个输入端是一个载波，结果将是PWM来控制开关。当采样的实际电流较高时，开关闭合，否则开关断开，因此电流控制环可以使输入电流更接近正弦波。本文采用连续导通模式（CCM），采用平均电流控制的方法。程序流程如图4所示，主要包括软开关、正弦信号产生、PI控制器、保险箱和PWM信号产生模块。软开关模块降低了启动电流峰值。正弦波产生模块采用查表法产生正弦波。安全模块可以监控电压和电流，并在过压或过流时结束程序。见图4。 程序流程3. 系统设计计算本文还研制了一台3KW的实验样机，图5是3kW电动汽车充电机的主电路。本文重点讨论系统的前一类，即前PFC部分。单相单开关PFC由电感、MOSFET、电容和电阻负载组成。这里使用的MOSFET是600 V/50 A。开关频率为10 kHz。Yuchen Han等人/ IERI Procedia 4（2013）1261291t了c0图五. 电动汽车CCM功率因数校正的前提是输入电感电流保持连续状态，从而使纹波电流小于最小输入交流电流峰值的两倍因此电感应满足以下条件：L Lmin（Lcritical）因此，考虑20%纹波电流，表达式为：Lmin我0.2P0VminrmsVmin代表最小输入正弦电压的峰值，V0是输出电压。f是开关频率，P0是输出功率，Vminrms是最小输入正弦电压的有效值因此通过计算选择电感L= 250 uH/20 A。由于输出电流的交流分量流过电容器，两端的电压将产生纹波，波动值取决于电容值。所以我们可以知道电容器的大小主要与电压有关纹波、直流电压响应和电压谐波幅度。它通常要求输出电压波纹小于10%。因此，设置输出电压的波动值为u，其峰值为Ut：u icdtI0 烧结2wt2WCI0不utI0，wC，u wC因此，电容器应满足以下条件：CI0w U0（一）通过计算并考虑实际情况，我们选择电容器：C= 1000 uF/450 Vdc。4. 仿真结果在Saber环境下对单相和三相单开关PFC电路进行了仿真。模拟参数设置如下：电感250uH，电阻100ohm，交流电压220V 50Hz，输出电容1000uF。图6是CCM中电压、电流双闭环的单相单开关电压波形和电流波形紫色波形是输入电压，绿色波形是输入电流。仿真结果表明，电流和电压几乎同相，功率因数大于0.95。此外，从波形上看，输入电流谐波含量也很高，通过FFT分析可知，输入电流谐波含量最多的是3次、5次、7次。Vmin（最小1V我 F第0页）u130Yuchen Han等人/ IERI Procedia 4（2013）126见图6。 电压电流双闭环图7（a）为电压、电流双闭环DCM模式下的三相单开关电压波形和电流波形，图7（b）为CCM模式下的单在图7（a）中，紫色波形是输入电压，绿色波形是输入电流，在图7（b）中，绿色波形是输入电压，紫色波形是输入电流。仿真结果表明，电流和电压同相，功率因数大于0.95。CCM中的PF也高于DCM中的PF，并且THD较低。因此，我们选择CCM作为实验方法。通过FFT分析可知，谐波含量最多的是5次、7次和11次谐波。见图7。(a)DCM中的三相单开关电压和电流波形见图7。(b)CCM中的三相单开关电压和电流波形5. 实验结果实验条件设计如下：MOSFET 600 V/50 A，电感250 uH，电容1000 uF，交流电源220 V，负载20 KW/40电阻箱，单相单开关PFC电路如图6所示。图8（a）是低功率下CH1、CH2、CH3分别为PWM、输出电压和输入电流实验波形表明，电流接近正弦波，输出电压稳定，纹波小于5%，但当输出功率为380 W时，波形不好。图8（b）是较高功率下的单相PFC波形。CH1、CH2、CH3、CH4分别为PWM、输出电压、输入电流、输入电压，输出功率为2KW。实验波形表明，电流Yuchen Han等人/ IERI Procedia 4（2013）126131与输入电压同相，几乎是正弦波。输出电压为283V，纹波为4.2%，PF为0.99，THD为7.4%，效率为96.3%。见图8。(a)单相单开关PFC，输出功率380 W;（b）单相单开关PFC，输出功率2KW图9（a）为额定功率下单相PFC波形CH1、CH2、CH3、CH4分别为PWM，输出电压、实验波形表明，电流与输入电压同相，近似为正弦波。输出电压纹波为5%，PF接近1，THD为8.2%，效率为95.8%。图9（b）是低功率时的三相PFC波形波形从上到下依次为输出电压、基准电流和输入电流。实验波形表明，电流与输入电压同相，接近正弦波，功率因数大于0.96。图9（a）单相单开关PFC，输出功率2.88KW;（b）三相单开关PFC6. 结论电动汽车充电系统工作在高功率因数下是大规模使用必不可少的。单开关功率因数校正具有成本低、易于控制和维护等优点。因此单开关功率因数校正在电动汽车中得到了广泛的关注和发展。通过仿真和实验可以看出，对于电动汽车充电系统，在功率因数和总谐波失真方面，CCM模式下的PFC优于DCM模式该双闭环CCM控制策略与开环或电压环控制策略相比，具有单开关PFC可以满足电动汽车充电系统对高功率因数（接近1）的性能要求。该充电器已作为3KW电动汽车充电器的前级产品使用，结果表明，该充电器具有较好的工程应用价值132Yuchen Han等人/ IERI Procedia 4（2013）126确认作者感谢国家自然科学基金项目（51077122）的资助。引用[1] A. R. 普拉萨德Ziogas，Stefanos anias号61991年1月1日，pp.83-92[2] 引用该论文王文，等.一种高性能单相输入功率因数校正整流器的设计[J].电力电子学学报，1996年3月，11（2）311-317[3] 放大图片作者：Joseph A.单相功率因数校正技术综述。IEEE电力电子学报五月2003年，第18卷，第3：749~755[4] S. Y. R. 辉H. 作者：Chung，Ho. Y.E.，Lee.模块化。采用单相降压变换器的单级三相PF C 的研制[C ]. IEEE PESC 1998：776-781.[5] 刘霞，郭玉华，单相有源功率因数校正电路的研究西南交通大学硕士学位论文。2005.4