电动汽车车载充电器PFC AC/DC变换器设计

电动汽车车载充电器PFC AC/DC变换器设计

姚顺

深圳威迈斯新能源股份有限公司  广东省深圳市518000

摘要：研究针对传统电动汽车车载充电器谐波污染、电力利用率低等问题，以功率等级2KW车载充电器为对象，设计了PFC AC/DC变换器，分析了设计需求及总体方案，并围绕元器件参数设定、器件选型等对主电路设计进行探讨，从电压环、乘法环及电流环方面分析了控制电路整体设计，经过系统仿真实验，发现主电路输入交流电压140V或220V，该系统可获得较高功率因数，主电路输入电流对电压跟踪，能够使后级DC/DC变换器保持恒定的直流电压。

关键词：电动汽车；车载充电器；PFC AC/DC变换器；仿真

作为电动汽车重要组成部分，电池组不仅是电动汽车的能量来源，同时影响着电动汽车的运行安全性与稳定性[1]。通常，为保障电池组能够高效、安全的工作，往往需要采用相应的辅助设备，车载充电器PFC AC/DC变换器便是其中不可或缺的一种，其设计好坏直接影响电池组的寿命，因此设计一种性能优越、满足电动汽车电池组的需求的车载充电器有着重要的意义。

1. 电动汽车车载充电器PFC AC/DC工作原理

目前，常用的电动车车载充电器结构如图1所示，工作流程如下：将充电器与交流电连接，依从经过EMI滤波与AC/DC，在功率因数校正电路作用下，校正功率因数，输出的电压一部分为辅助电源供给电能；另一部分被送至后级逆变电路，然后实施整流滤波处理，实现电池组充电[2]。DSP主要功能为检测主电路输出的电流与电压信号，并完成取样，能够实现对逆变电路的控制，使得电池组能够一直保持适宜的电压、电流与功率参数。随着现代科学技术的进步，我国车载充电器飞速发展，使得车载充电器技术进入一个新的阶段。

                      图1 电动汽车车载充电器结构示意图

车载充电器与电网连接，会造成谐波污染，与此同时其他用电设备稳定性也会受到一定的影响。国际电工委员会针对电网谐波制定了明确的标准，以限制谐波量；我国制定了关于谐波限制的国标GB/T17625[3]。为符合标准，电动汽车车载充电器PFC发挥了重要的作用。PFC AC/DC变换器作为电动汽车车载充电器重要部件，主要功能如下：①向后级DC/DC提供滤除谐波电压，确保系统达到谐波标准；②供电于充电器辅助电源系统，为控制芯片、其他系统提供电能。基于此，PFC AC/DC变换器设计的优劣直接影响充电器系统的性能。

2. 电动汽车车载充电器PFC AC/DC变换器总体设计方案

研究基于APFC技术理论，对电动汽车车载充电器PFC AC/DC变换器进行设计，其设计需求相关参数见表1。根据设计需求，在对PFC AC/DC变换器主电路进行设计时，选择的是Boost拓扑电路，控制策略采用的是连续模式下平均电流控制策略。整个控制电路结构为双闭环控制（电流内环与外环）结构。电流环是实现高功率因数的重要条件，其能够保持主电路输入电流与电压的匹配度；电压环可使得输出的直流电压处于恒定状态，保障后级DC/DC电路正常供电[4]。

表1 设计需求相关参数

3.电动汽车车载充电器PFC AC/DC变换器设计

3.1主电路设计

3.1.1开关频率

开关频率设定主要依据的是开关损耗以及EMC相关要求等，目前，PFC电路所用开关频率有45kHz、65kHz、100kHz、133kHz。开关频率设定为45kHz可减少EMC电路设计流程，但需要较大PFC电感量，磁芯材料宜选择铁硅磁环，损耗大，效率低。65kHz开关频率能够提升系统效率，减少体积，但仍然存在体积偏大的情况，达不到车载充电器系统要求。100kHz能够维持电感体积与开关损耗的平衡，将铁硅铝、铁镍等作为材料可提升效率，但会对开关及二极管反向恢复造成损耗，影响电感效率提升。133kHz开关频率不仅能够最大程度上减少电感损耗，而且可保持最小的电感体积，当然该开关频率也存在一定的缺陷，即开关频率增加后损耗也会随之增大[5]。综合上述，最终选择133kHz作为开关频率，满足车载充电器在体积方面的严格要求。

3.1.2开关器件

开关器件的选择需要综合耐压值、通态电流、开关频率等多项参数进行考虑。假设为较大输出功率，可以选择MOS管、IGBT管分别作为膏开关频率与低开关频率场合的开关器件。本研究中系统需要较高的开关频率，因此开关器件选择MOS管。为解决单个MOS管通态电流小的问题，采用多个MOS管并联的方式，以促进通流能力的提升。MOS管耐压值表达式为：

Vmos>Vout+△Vripple+Vmargin

其中Vout、△Vripple依次表示的是主电路的输出电压与输出纹波电压，Vmargin

表示的是留有的电压裕量。

3.1.3升压电感

在设计升压电感时，首先需要对电感量进行计算，然后结合实际情况选择适宜的磁芯材料，最后全面分析磁路饱是否会对电感量产生影响，并分析影响程度，确保电感量与材料选择的合理性，电感量采用如下公式进行计算：

其中Vin表示主电路输入电压，f表示开关频率，Lmin表示电感量的最小值，经过计算，确定升压电感为108uH。

明确电感量后，需要对磁芯材料进行选择，目前可供APFC电路升压电感选择的材料有磁粉芯、有隙非晶/微晶磁芯等，在上述磁芯材料中，铁硅铝磁粉芯具有较高的磁通密度，且体积小，无需开气隙，因此可以选取该材料作为磁芯材料。需要注意的是，电感会受到主电路电流的影响，当电流处于较大状态，电感会出现不同程度直流偏置，引起磁路饱和[6]。且磁路饱和程度与电流呈现出明显正相关，基于此在对电感磁芯进行选择时，应关注磁路饱和的相关问题[7]。

通过整体分析，可以发现当选择KS184060A铁硅铝磁芯60匝，其磁路饱和达到最大状态下，此时电感量为110uH，与108uH相比差异较小。

3.1.4续流二极管

续流二极管是APFC Boost拓扑主电路重要部件，在对其参数进行确定时，主要考虑的是通态电流（Ifavm）、反向恢复电压（Vrrm）与恢复时间。切断MOS管后，此时续流二极管所承受的电流最大，且为正向导通，选取器件通态电流应为1.5倍最大电流。

开通MOS管后，电源给电感供电，续流二极管反向处于关断状态，主要承受来自于主电路输出的主流电压，由于反向恢复电压存在电压尖峰的问题，因此选择裕量3倍。最终得到通态电流平均为30A，选择DSEP-30-12A二极管，具有反向恢复时间短的特点，电压为1200V。

3.1.5采样电阻

采样电阻主要功能为是提供电流信息，电流反馈电路及过流保护对采样电阻均有着较高的依赖性，对采样电阻的要求是，达到一定信噪比的基础上，最大程度上降低功耗与阻值，以无感电阻为宜，可以采用如下公式计算采样电阻，，这其中考虑到了功耗的限制问题。电阻材料采用的是康铜丝，以满足经过采样电阻高电流的需求。

3.1.6输出电容

主电路输出电容能够对开关动作所致的输出纹波电压予以滤除，同时还可以将MOS管输出电压维持在稳定范围，输出电容需要对上述两种因素进行考虑。另外，为降低输出电容ESR，研究采用电解电容并联的方式，输出电容为220uF/400V（3个）、330uF/400V（1个）。

3.2控制电路设计

采用双闭环结构进行控制电路设计，外环、内环分别采用电压环、电流环，前者采用电压误差放大器对比，对获得的输出信号、前馈电压、输入电压实施乘法器运算，获得电流环的参考电流。后者控制主电路输入电流对参考电流进行跟踪，校正功率因数。调节后的电流环，可产生驱动信号，控制主电路开关管通断，此时系统功率获得了因数校正，获得的电流电压比较稳定。

3.2.1电压环设计

电压环主要作用如下：①向电流环反馈输出电压的变化情况；②通过对二次谐波电压的处理，将其衰减程度控制在指定范围，最大程度上减少输入电流畸变[8]。受输出电容充、放电的影响，输出纹波电压往往较输入电压滞后，基于此，设计电压环应充分考虑是否有足够的相移，确保输出电压纹波相位与输入电压一致。为实现上述目标，需要设计一个补偿电路，以便电压环符合上述要求。在无补偿条件下，电压环开环传递函数用如下公式表示：

其中，Pin表示的是输入功率，△V是经过电压误差放大器对比后获得的输出电压范围值。二次谐波在电压开关传递函数上得不到衰减，增加了输入电流畸变，为解决这一问题，可以设计一个极点，控制纹波电压的衰减情况。

补偿电路传递函数计算公式如下：

经过考虑，当配置极点频率与穿越频率等同时，裕度参数为45°，体现出较好的系统稳定性，不仅如此，二次谐波也得到了一定程度的衰减。纹波电压超前相移了90°。

3.2.2电流环设计

电流环能够对主电路输入电流起到调节作用，对输入电压进行跟踪，进而对高PF进行有效的控制。在设计电流环时，首先需要合理设计补偿电路，获得较高的响应速度，以维持系统的运行稳定性。无补偿电路状态下，功率级与PWM比较器构成电流环，采用如下公式对开环传递函数进行计算：

由于电流环带宽窄，难以实现对高频噪声的控制，因此需要在低频位置设置零点，其能够促进低频增益，同时有利于带宽的增加。在高频位置设置极点，能够对开关噪音进行有效的抑制，补偿电路的传递函数如下：

因此，首先为实现设计目标，首先需要对截止频率进行合理选取，对零点与极点频率作出合理化设计，确保系统相位裕度≥45°，不仅如此还要确保电流环具备增益效果，满足大带宽设计要求。截止频率调整为6.65kHz，零点频率以4.5kHz为宜，极点频率46kHz，设置相位裕度为48°。经过补偿电路发现电流环在低频位置具有较大的带宽，在高频位置能够减弱开关噪声。当相位>45°，系统运行稳定性好。

4.系统建模及仿真

为验证系统设计的性能，应用saber仿真软件，构建了一个车载充电器PFC AC/DC变换器电路模型，包括主电路与控制电路两个部分，应用仿真试验分析了电路各部分动态性能，其对应的参数设置见表2：

表2 主电路与控制电路参数设定表

基于PFC AC/DC变换器设计需求，其要实现的功能如下：①获取宽输入电压范围内高功率因数；②为后级DC/DC电路提供稳定直流电压。研究选择不同输入电压，仿真测试功率因数及输出电压，结果见表3：

表3 PFC AC/DC变换器的仿真结果

仿真结果提示，当主电路输入140V或220V交流电压，系统功率因数更高，且能够完成主电路输入电流跟踪输入电压。

结束语

本研究充分考虑了车载充电器PFC AC/DC变换器的设计需求，从整体方案设计及主电路、控制电路方面进行了详细的描述，通过仿真测试，证实该设计符合PFC AC/DC变换器功能要求，结构简单、体积小，具有较好的稳定性，前景广阔。

参考文献

[1] 曾燊杰,李红梅,张恒果,等. 集成功率解耦电路的PFC AC/DC变换器[J]. 电子技术应用,2018,44(12):143-146.

[2] 苏瑾,汪元鑫,胡金高. 一种融合于驱动的电动汽车车载充电器[J]. 电器与能效管理技术,2019(6):32-36,69.

[3] 崔超,李红梅,张恒果,等. 集成功率解耦的单相PFC AC/DC变换器设计及控制[J]. 电子技术应用,2017,43(7):140-142,147.

[4] 顾鸿赟,李岩,刘陵顺. 基于双三相PMSM车载充电器的双环滑模控制[J]. 微特电机,2021,49(8):33-38.

[5] 经雯荔,管乐诗,王懿杰,等. 高频AC/DC变换器优化控制策略研究[J]. 电源学报,2020,18(5):60-71.

[6] 蔡子琨,袁乐,杨喜军,等. 断续导电模式单相AC/DC变换器的控制器设计[J]. 电器与能效管理技术,2019(1):39-45.

[7] 顾玲. 单级高频隔离型三相双向AC/DC变换器研究综述[J]. 中国电机工程学报,2021,41(21):7434-7448.

[8] 郭东鑫,贾燕冰,任春光,等. 基于虚拟频率的隔离型双向AC/DC变换器最小电流应力控制策略[J]. 高电压技术,2021,47(8):2914-2922.

作者简介：姚顺，1981，男，汉族，安徽省宣城地区市辖区，硕士，新能源汽车车载充电机、DCDC变换器等零部件产品研发测试及无线充电平台项目的研发。