电动汽车充电站电源模块的技术解析

在全球大力倡导节能减排、环境保护的大背景下，电动汽车凭借其低污染、低能耗等优势，成为了汽车行业未来发展的重要方向。然而，电动汽车的普及与广泛应用仍面临着诸多亟待解决的问题，其中充电技术便是关键之一。目前，电动汽车主要的充电方式包括常规充电、快速充电、无线充电以及更换电池等。其中，更换电池方式具有电动车电池无需现场充电、更换时间短等优点，且更换下来的电池可由充电站统一充电。但由于充电站每天更换下来的电池数量和型号各异，对充电电源的电压、电流和功率提出了多样化的要求。为满足电动汽车充电站的这一需求，本文精心设计了一种电压在 0 - 100 V 可调、电流在 0 - 100 A 可调、最大功率为 10 kW 的电动汽车充电模块。该电源模块既可以独立作为一个可调电压、电流源使用，也能够将多个模块进行串并联，以实现更大电压、电流和功率的输出要求。

电路结构与工作原理

系统总体结构

该电源模块的总体系统结构主要由三相整流模块、全桥 IGBT 功率模块、高频变压器、输出滤波电感、输出滤波电容和主控制电路组成。其输出方式分为恒压输出和恒流输出两种，因此反馈回路也有两路。一路是内环为限流环、外环为电压环的反馈回路（恒压输出方式）；另一路是仅有电流环的反馈回路（恒流输出方式）。两路反馈信号经过一个由单片机控制的多路模拟选择器送入移相控制芯片 UCC3895，产生 PWM 信号，再通过 IGBT 驱动电路控制 IGBT。在恒压模式下，内环的限流环可起到限流作用；在恒流模式下，系统的最大输出电压即为全桥电路以最大占空比输出时的电压，无需进行限压，仅存在一个电流环。系统中的电压、电流环均采用限幅 PI 调节器，由硬件电路实现，以确保电源模块负反馈的快速性。而电压参考 Uref、电流参考 Iref、恒压和恒流两个工作模式的选择、过压、欠压、过流、过温保护以及与计算机的通信等功能，则由单片机完成，以实现电源模块的灵活性。

主功率电路及反馈回路

全桥变换器拓扑因其开关管的稳态关断电压等于直流输入电压，而非推挽、单端正激或交错正激拓扑的两倍，且输出为具有正负的全波，不会造成变压器磁芯偏磁，所以广泛应用于大功率电源中。本电源模块采用全桥变换器拓扑结构，如图 2 所示。VS1、VS2 组成变换器的超前桥臂，VS3、VS4 组成滞后桥臂，LK 为变压器漏感，Cb 为隔直电容，用于平衡变压器伏秒值，防止变压器偏磁。变压器变比为 3:1，次级输出采用全桥整流。该拓扑利用变压器漏感 LK 和功率开关管的并联电容 C1、C2 产生谐振，实现超前臂的零电压开通与关断；变压器副侧采用由 Dh、Dr、Dc 组成的辅助电路实现滞后臂的零电流开通与关断。通过改变对角线上开关管驱动信号之间的相位差来改变占空比，从而调节电源输出功率。其主要工作波形如图 3 所示。

该全桥拓扑的超前臂实现 ZVS 的条件是在死区时间内，要有足够能量抽走将要开通的开关管的并联电容上的电荷，使电容电压下降为零。经计算，在输入电压 Vin = 513 V，输入电流最大为 33 A，1μs 时达到 ZVS 的条件下，可得出相关参数。滞后臂要实现 ZCS，要求原边电流在超前管关断后到滞后管关断前这段时间里能够减小到零，即电容 Cc 上储存的能量要大于变压器漏感中的能量。通过计算可得 Cc = 0.43μF。该电源模块能够实现串并联，其电流采样采用霍尔电流传感器，电压采样采用差分信号反馈，只与输出电压正负两端的电压差有关。在两个模块串联时，上下电源模块的 V - 端电压不同，但对每个电源模块的电压反馈无影响。此外，控制电和主电路也是隔离的，因此该电源模块可实现串并联。电压反馈信号 V + 和 V - 经过差分式减法电路得到电压反馈信号 Vo。电压电流调节器的传递函数表明，该调节器由一个 PI 调节器和一个滤波调节器组成。通过调节 R5 和 R6 的比值可改变比例系数，调节 R5 和 C1 可改变积分常数。该调节器还可提供一个原点极点、一个低频零点和一个高频极点的补偿网络，选择合适的参数可调节闭环系统的稳定性与快速性。图 4 中的稳压管对调节器起到限幅作用。

IGBT 驱动

本电源模块的 IGBT 驱动电路由变压器和光耦组成。交流 15 V 输入（由直流 15 V 经过由 MOSFET 组成的 H 桥逆变得到）送入一个多抽头高频变压器（工作频率为 30 kHz），变压器副侧输出经全波整流滤波后给光耦供电，每个驱动电路驱动一个 IGBT。该驱动电路具有以下特点：

1. 产生导通 IGBT 所需的正向栅极电压 VGE，当光耦导通时，Vo 输出电压为 VCC，相对于变压器中点电压 VE 是正的驱动电压。

2. 产生 IGBT 关断所需的负压 VGE，当光耦关断时，Vo 输出电压为 VEE，相对于变压器中点电压 VE 是负的关断电压，可快速关断 IGBT，并有效防止因 IGBT 快速关断带来的误导通，保证 IGBT 安全、可靠地工作。

3. 驱动电路与主电路和控制电路均隔离，控制光耦的两路 PWM 信号是同一桥臂上下两个管子的 PWM 信号，只有 PWMA 为高、PWMB 为低时，光耦才导通，下管的驱动相反，可防止两只管子同时导通。

4. IGBT 的栅射极之间并接两只反串联的稳压二极管，可有效抑制驱动电路出现的高压尖脉冲，保护 IGBT。

5. 4 个驱动电路彼此之间几乎无相互干扰，因为采用不同变压器。与许多采用 TOPSwitch 结构，用一个变压器产生多组隔离电压提供关断 IGBT 所需负压的电源相比，本电源的驱动方法不存在彼此引进干扰的问题。

电源模块的串并联

该电源模块既可以独立作为电源使用，也可进行串并联。当多个模块串并联时，只需在上层用一个控制器给定各个电源模块的电压、电流值，且各模块的电压、电流给定会根据负载和电源之间的回流实时变化，以实现各电源模块之间的均流、均压。这种设计使得电源使用非常灵活，能单独使用，也能串并联使用，非常适合电动汽车充电站满足各种不同功率的充电需求。

实验结果分析

根据上述设计，研制了一台功率为 10 kW 的实验样机。部分实验波形如图 6 所示。从图 6 可以看出，驱动电路提供的负电压可保证 IGBT 关断时，VGE 在 0 V 以下，且驱动电路抗干扰能力良好。超前臂 IGBT 开通时，VCE 已为零，关断时 VCE 缓慢上升，实现了 ZVS。由图 7 可知，滞后臂 IGBT 开通时，电流上升缓慢，关断时电流已为零，实现了 ZCS。

结论

本文设计的适合电动汽车充电的电源，采用了全桥变换器拓扑和硬件电压电流环。在超前臂 IGBT 并联合适的电容，在变压器副边增加简单的辅助电路，实现了移相全桥 ZVS、ZCS 软开关技术，大大降低了 IGBT 开关器件的损耗。设计的变压器加光耦的 IGBT 驱动电路可实现 IGBT 的可靠开关，且抗干扰能力强，经实验验证效果良好。最后样机的成功实现，充分证明了本设计的可行性。