30 山东农业大学学报 ( 自然科学版 ) 第 49 卷. 技术要求输入电压 :A:0 V±0%, 输出电压 :D 5 V 75 V; 额定电流 :5 A; 功率因素 :>90%; 效率 :>90%; 四段式充电过程 : 预充电恒流充电恒压充电和浮充 ; 保护功能 : 充电机输出过压保护开路保

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1 山东农业大学学报 ( 自然科学版 ),08,49():9-34 VO.49 NO. 08 Journal of Shanong Agricultural niversity ( Natural Science Eition ) oi:0.3969/j.issn 半桥型充电机抑制输出电流畸变控制策略梅建伟, 田艳芳, 罗敏, 刘杰, 魏海波湖北汽车工业学院电气与信息工程学院, 湖北十堰 4400 摘要 : 本文研制的纯电动汽车用充电机, 采用单相半桥逆变电路作为主回路, 针对半桥逆变器电容中点电压偏移, 引起输出电流畸变的问题, 从理论上分析电容中点电压偏移量与频率负载轻重电容大小以及桥臂开关管导通时间之间的关系, 提出了一种基于占空比和频率分段调节的抑制电流畸变控制策略样机试验结果表明, 该控制策略有效地减小电容中点电压偏移, 抑制了输出电流的畸变关键词 : 充电机 ; 畸变电流 ; 电动汽车中图法分类号 : TM90.6 文献标识码 : A 文章编号 : (08) ontrol Strategy to Restrain Output urrent Distortion of Half Brige harger MEI Jian-wei, TIAN Yan-fang, O Min, I Jie, WEI Hai-bo ollege of Electrical an Information Engineering/Hubei niversity of Automotive Technology, Shiyan 4400, hina Abstract: The charger for electric vehicles aopts single - phase half brige inverter circuit as main loop. Output current is istorte ue to capacitance mipoint voltage half brige inverter eviation, the relationship is analyze theoretically among capacitance mipoint voltage offset an frequency, loa weight, the size of the capacitor, an the brige arm switch tube conuction time, the control strategy to restrain current istortion is propose base on uty ratio an frequency subsection ajustment. The test results of the prototype show that the control strategy can effectively reuce capacitance mipoint voltage offset an restraining the istortion of the output current. Keywors: harger; istortion current; electromobile 课题研制的电动汽车用充电机采用电压型半桥逆变器, 具有结构简单, 使用器件少, 功率管承受的电压应力小等优点, 但这种电路的缺点在于直流分压电容不均压, 从而使分压电容中点电压漂移, 导致输出电压和电流畸变, 使系统性能恶化 [] 文献 [,3] 提出了一种简单的解决电容中点电压漂移的方法, 文献 [4] 论证了传统的电压电流反馈控制无法解决电容电压的偏压问题, 提出了一种基于调制波反馈的电容电压均衡控制策略, 但由于在许多工程应用中, 需要得到较好的电流波形, 甚至不允许输出电流畸变, 因此, 通过分析充电主回路的工作原理, 论证了电容中点电压的偏移与逆变器频率与 MOSFET 占空比之间的关系, 提出了电压型半桥逆变器电容电压均衡约束条件, 采用混合调制时, 只要保证频率和占空比满足约束条件, 电容中点电压偏移可控, 样机实验结果表明, 该方法能够有效解决分压电容中点电压漂移的问题该充电机可以实现离线和在线充电, 适用于低速城郊电动汽车电动高尔夫球车观光旅游区载客电动车电动巡逻车等系统主回路系统主回路实现将单相交流电按照充电流程转换成不同波形的直流电给电池充电其主电路结构图如图所示图充电机主回路 Fig. The main loop of charger 收稿日期 : 修回日期 : 基金项目 : 无刷双馈电机参数辨识与解耦控制关键基础问题研究 (D0780) 作者简介 : 梅建伟 (978-), 男, 副教授, 主要从事电力电子变换技术以及电机控制技术方面的研究. bainianguu999@63.com 数字优先出版 :

四段式充电过程 : 预充电恒流充电恒压充电和浮充 ; 保护功能 : 充电机输出过压保护开路保护电池反接保护电池欠压保护短路保护,

主电路工作原理主电路是电压型单相半桥逆变电路, 其中,T 及辅助电容组成输入 EMI 滤波器,

是直流分压电容,R R 是直流分压电容的均压电阻,Q Q 为 MOSFET, 其中 D5 D6 分别为 Q Q 的寄生二极管,T

组成全波整流及滤波电路将高频脉冲电压变换成直流电对电池充电半桥逆变器等效电路工作原理图半桥逆变器电路 Fig.

2 30 山东农业大学学报 ( 自然科学版 ) 第 49 卷. 技术要求输入电压 :A:0 V±0%, 输出电压 :D 5 V 75 V; 额定电流 :5 A; 功率因素 :>90%; 效率 :>90%; 四段式充电过程 : 预充电恒流充电恒压充电和浮充 ; 保护功能 : 充电机输出过压保护开路保护电池反接保护电池欠压保护短路保护, 电池温度过热保护及充电机过热保护. 主电路工作原理主电路是电压型单相半桥逆变电路, 其中,T 及辅助电容组成输入 EMI 滤波器, 不可控整流电路输出的脉动直流电压经母线电解电容 3 转换成恒定直流电压, 实际系统中用 4 个 330 F 的电容并联,4 5 是直流分压电容,R R 是直流分压电容的均压电阻,Q Q 为 MOSFET, 其中 D5 D6 分别为 Q Q 的寄生二极管,T 为高频变压器, 系统工作频率为 50 KHz 330 KHz,D7 D8 及电感辅助电容 6 7 组成全波整流及滤波电路将高频脉冲电压变换成直流电对电池充电半桥逆变器等效电路工作原理图半桥逆变器电路 Fig. Half-brige inverter circuit 当上桥臂 MOSFET 导通时, 其等效电路如下图所示 : (a) 电流通路 ircuit (b) 电流通路 ircuit 图 3 模式等效电路 Fig.3 The equivalent circuit of moe (a) 电流通路 ircuit (b) 电流通路 ircuit 图 4 模式等效电路 Fig.4 The equivalent circuit of moe (a) 电流通路 ircuit (b) 电流通路 ircuit 图 5 模式 3 等效电路 Fig.5 The equivalent circuit of moe 3 (a) 电流通路 ircuit (b) 电流通路 ircuit 图 6 模式 4 等效电路 Fig.6 The equivalent circuit of moe 4

3 第期梅建伟等 : 半桥型充电机抑制输出电流畸变控制策略 3 模式中 : 上桥臂 MOSFET Q 导通, 直流母线通过 Q 变压器一次侧等效电感对直流分压电容充电, 此时分压电容两端的电压在 / 的基础上升高, 同时直流分压电容通过 Q 变压器一次侧等效电感放电, 此时分压电容两端的电压在 / 的基础上降低模式中 : 上桥臂 MOSFET Q 截止后, 变压器一次侧电感电流通过直流分压电容下桥臂二极管 D 续流, 续流过程中对直流分压电容充电, 此时分压电容两端的电压继续升高, 同时变压器一次侧电感电流通过直流分压电容直流母线以及下桥臂二极管 D 续流, 对直流分压电容反向充电, 此时分压电容两端的电压进一步降低上桥臂 MOSFET 关断后, 由于变压器一次侧电感的影响, 使得变压器一次侧电流不能立刻将为零, 电感中的电流一部分通过图 4(a) 中的电路续流, 根据式 (3 ) 可知, 该部分续流的电流为电感中电流的一半, 并且对分压电容充电, 使得两端的电压上升, 同时电感中的电流的另一半沿着图 4(b) 的电路进行续流, 该部分续流的电流为电感中电流的一半, 并且分压电容放电, 使得两端的电压下降, 从而保证母线电压基本维持不变模式 3 中 : 电感中的电流续流结束后, 下桥臂 MOSFET Q 导通, 直流母线通过 Q 变压器一次侧等效电感对直流分压电容充电, 此时分压电容两端的电压升高, 同时直流分压电容通过变压器一次侧等效电感 Q 放电, 此时分压电容两端的电压降低模式 4 中 : 下桥臂 MOSFET Q 截止后, 变压器一次侧电感电流通过上桥臂二极管 D 直流分压电容续流, 续流过程中对直流分压电容充电, 此时分压电容两端的电压继续升高, 同时变压器一次侧电感电流通过直流分压电容直流母线以及上桥臂二极管 D 续流, 对直流分压电容反向充电, 此时分压电容两端的电压进一步降低下桥臂 MOSFET 关断后, 由于变压器一次侧电感的影响, 使得变压器一次侧电流不能立刻将为零, 电感中的电流一部分通过图 6(a) 中的电路续流, 根据式 (3 ) 可知, 该部分续流的电流为电感中电流的一半, 并且对分压电容充电, 使得两端的电压上升, 同时电感中的电流的另一半沿着图 6(b) 的电路进行续流, 该部分续流的电流为电感中电流的一半, 并且分压电容放电, 使得两端的电压下降, 从而保证母线电压基本维持不变 3 电容中点电压偏移理论分析设 ==,R=R=R=50 K, 由于并联均压电阻很大, 故电阻中的电流忽略不计由上图 :uc+uc= u u i, i () t t u u ( u u ) i i 0 t t t t 对节点 B 而言 : i i 0 i 所以 : i i, i 0 i () 由图等效电路可知, 在模式中, 对直流分压电容而言, 母线电压通过负载对电容充电, 电容通过负载放电, 此时电容两端的电压下降, 而电容两端的电压升高, 造成电容中点电压偏移下面分析电容中点电压偏差与电容量大小开关频率以及占空比之间的关系 3. 电容电压偏差与频率电容容量以及负载轻重大小之间的关系设 u u / 0 0, i I sin( t ), 即有 :

4 3 山东农业大学学报 ( 自然科学版 ) 第 49 卷 t t I u u i t u I sin( t ) t u [cos( t ) cos ] I 同理 : u u 0 [cos cos( t )] 由上述分析可知 : I 电容电压在初始值基础上瞬时电压最大波动量为: u ; 两个电容电压平均值波动量为: I I co s co s = (3) 从上面的式子可知, 如果阻感性负载电流为正弦波时, 分压电容中点的电压偏差与开关频率分压电容的电容量以及开机瞬间的电感电流的初始相位有关, 实际中令 : = max 则 : f I cos I cos m ax = m ax 在电压型半桥逆变电路中, 如果利用频率进行调节输出功率时, 为了保证分压电容中点电压偏移在 max 范围之内, 那么频率调节有一个最小值, 如果频率调节越过这个下限, 将造成变压器一次侧电流发生畸变 3. 电容电压偏差与占空比之间的关系设上桥臂导通时间为 S, 在图中由平均值模型可以得到 : u u s u ( s ) ( u ) s u ( s ) s u (5) 0 u 由式 () () 可得 : i i 0 t i u u 0 在图中 : u Ri R (6) 0 0 t t t u u 结合 (5) (6) 可得 : R u s t t u 令 : u u A sin( n t ), 可得 : n A cos( n t t ) u ; n A sin( n t ) t ( n A sin( n t )) R n A cos( n t ) u A sin( n t ) s 可以得到 : u s u s (7) u 可得 : s 令 : u u A sin( n t ) 同理 : u ( s ) u ( s ) (8) u 可得 : s ; 其中 : u u 0; 直流分压电容中点电压波动量的平均值为 : ( s ) max min (4)

第期梅建伟等 : 半桥型充电机抑制输出电流畸变控制策略 33 max 故得 : s (9) min 在电压型半桥逆变电路中, 当调节占空比调节输出功率时, 为了保证分压电容中点电压偏移在 max 范围之内, 占空比调节有一个最小值, 如果占空比小于这个最小值, 将造成变压器一次侧电流发生严重畸变 4

进入占空比 PI 调节器, 占空比 PI 调节器的输出增加一个上下限环节, 使得占空比只能在一定范围之内进行变化, 当变压器二次侧电流的和值大于电压环的输出时, 此时进入频率 PI 调节器, 频率 PI 调节器的输出增加一个上下限环节, 使得频率只能在一定范围之内进行变化, 频率和占空比的处于下限时,

7 ontrol circuit structure iagram 分别测量 5 节铅酸蓄电池空载电压, 将 5 节铅酸蓄电池 ( V/45 AH) 串接, 进行充放电, 并用示波器观测, 放电至 0 V 左右时停止 ; 开始充电, 根据示波器显示数值记录电压电流实时数据, 并保存实时电流电压波形 ; 放电后重复步骤

5 第期梅建伟等 : 半桥型充电机抑制输出电流畸变控制策略 33 max 故得 : s (9) min 在电压型半桥逆变电路中, 当调节占空比调节输出功率时, 为了保证分压电容中点电压偏移在 max 范围之内, 占空比调节有一个最小值, 如果占空比小于这个最小值, 将造成变压器一次侧电流发生严重畸变 4 抑制充电机输出电流畸变控制策略由式 (3) (7) 可知, 分压电容中点电压的偏移与上下开关管的导通时间开关频率变压器一次侧等效电感分压电容的电容量负载轻重以及直流母线电源电压波动有关其控制框图如图 7 所示原理是在传统电压电流双闭环控制基础上, 电流环控制时, 当反馈电流差值的绝对值大于给定值时, 进入占空比 PI 调节器, 占空比 PI 调节器的输出增加一个上下限环节, 使得占空比只能在一定范围之内进行变化, 当变压器二次侧电流的和值大于电压环的输出时, 此时进入频率 PI 调节器, 频率 PI 调节器的输出增加一个上下限环节, 使得频率只能在一定范围之内进行变化, 频率和占空比的处于下限时, 直流分压电容的中点电压偏移量在允许的范围之内, 通过该控制策略的优化使电路稳定工作时变压器一次侧电压不含直流分量, 从而基本消除直流分压电容电压偏差, 抑制了输出电流畸变 5 实验结果与分析 5. 实验步骤以及实验条件输入电压 :A:0 V±0%; 图 7 控制电路结构图 Fig.7 ontrol circuit structure iagram 分别测量 5 节铅酸蓄电池空载电压, 将 5 节铅酸蓄电池 ( V/45 AH) 串接, 进行充放电, 并用示波器观测, 放电至 0 V 左右时停止 ; 开始充电, 根据示波器显示数值记录电压电流实时数据, 并保存实时电流电压波形 ; 放电后重复步骤 3, 观测是否有漏掉的阶段, 是否有较大出入的数据 5. 实验波形 (a) 分压电容两端电压 Voltages at two ens of partial capacitor (b) 变压器二次侧电流 The seconary lateral current of transformer 图 8 中点电压偏移时波形图 Fig.8 Waveform iagram of mipoint voltage offset

34 山东农业大学学报 ( 自然科学版 ) 第 49 卷 5.3 充电过程曲线图 9 偏压时变压器一次侧电压 Fig.9 Transformer primary voltage at bias voltage 图 0 无偏压时变压器一次侧电压和电流 Fig.

4 结果分析如图 8(a) 所示, 当半桥逆变器功率 MOSFET 的占空比小于某一固定值时 ( 实验测试为 %), 直流分压两个电容两端的电压 uc 和 uc 的大小不相等, 中点电压出现偏移, 此时同时如图 8(b) 所示变压器二次侧电流出现不对称现象, 一个绕组电流大, 另一个绕组电流小 ; 如图 9 所示, 当半桥逆变器功率 MOSFET 的占空比小于某一固定值时 ( 实验测试为

结论本课题研制的电动汽车用充电机主回路采用电压型半桥逆变器, 针对直流分压电容电压偏移的问题, 本文提出的一种基于占空比和频率分段调节的控制策略, 抑制了输出电流畸变, 理论和实验结果证明了该控制策略的有效性, 采用该方案的充电机结构简单, 成本低, 单机功率最大可达到 kw, 具有一定的理论和实用价值参考文献 [] 朱军卫, 龚春英. 半桥逆变器电容不均压问题的分析与研究 [].

6 34 山东农业大学学报 ( 自然科学版 ) 第 49 卷 5.3 充电过程曲线图 9 偏压时变压器一次侧电压 Fig.9 Transformer primary voltage at bias voltage 图 0 无偏压时变压器一次侧电压和电流 Fig.0 Transformer primary sie voltage an current without bias voltage 图四段式充电过程曲线图 Fig. Four - section charging process graph 5.4 结果分析如图 8(a) 所示, 当半桥逆变器功率 MOSFET 的占空比小于某一固定值时 ( 实验测试为 %), 直流分压两个电容两端的电压 uc 和 uc 的大小不相等, 中点电压出现偏移, 此时同时如图 8(b) 所示变压器二次侧电流出现不对称现象, 一个绕组电流大, 另一个绕组电流小 ; 如图 9 所示, 当半桥逆变器功率 MOSFET 的占空比小于某一固定值时 ( 实验测试为 %), 变压器一次侧电压波形出现不对称现象 ; 3 如图 0 所示, 当半桥逆变器功率 MOSFET 的占空比大于 5% 时, 变压器一次侧电压电流波形对称性比较好 ; 4 测试时, 开关频率在 50KHz 330KHz 的范围内进行变化, 当频率较低时变压器出现饱和现象, 损耗较大 ; 5 如图所示, 实际测试的充电过程曲线能够满足技术要求 6 结论本课题研制的电动汽车用充电机主回路采用电压型半桥逆变器, 针对直流分压电容电压偏移的问题, 本文提出的一种基于占空比和频率分段调节的控制策略, 抑制了输出电流畸变, 理论和实验结果证明了该控制策略的有效性, 采用该方案的充电机结构简单, 成本低, 单机功率最大可达到 kw, 具有一定的理论和实用价值参考文献 [] 朱军卫, 龚春英. 半桥逆变器电容不均压问题的分析与研究 []. 第十五届全国电源技术年会论文集,003 [] 陈东华, 谢少军. 电流型控制半桥逆变器研究 (I) 直流分压电容不均压问题 [J]. 电工技术学报,004,9(4):85-86 [3] 陈东华, 谢少军. 电流型控制半桥逆变器研究 (II) 直流电容电压偏差前馈控制技术 [J]. 电工技术学报,004,9(6):69-73 [4] 杨水涛, 张帆, 刘金云, 等. 一种新型半桥逆变器电容均压控制策略 [J]. 电工技术学报,006,(7):3-36 [5] 陈一逢. 高性能软开关功率因数校正电路的设计 [J]. 电源技术应用,004,7()35-37 [6] 刘小四, 熊蕊. 逆变器并联运行时环流的产生及抑制研究 [J]. 电力电子技术,999,33(3):6-8 [7] 周伟成, 周永忠, 张海军, 等. 最大电流均流技术及应用 [J]. 电力电子技术,008,4():45-47 [8] 杨淑英, 张兴, 张崇巍. 基于下垂特性的逆变器并联技术研究 [J]. 电工电能新技术,006,5():7-0,80 [9] 曾建友. 单相双变换在线式 PS 及其并联运行研究 [D]. 武汉 : 华中科技大学,003 [0] 陈良亮, 肖岚, 胡文斌, 等. 双闭环控制电压源逆变器并联系统环流特性研究 [J]. 电工技术学报,004,9(5):-4

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B 直流稳压电源第 4 章 4.1 整流电路及其应用学习目标 1. 熟悉单相整流电路的组成, 了解整流电路的工作原理. 掌握单相整流电路的输出电压和电流的计算方法, 并能通过示波器观察整流电路输出电压的波形 3. 能从实际电路中识读整流电路, 通过估算, 能合理选用整流元器件 4.1.1 认识整流电路 1. 图解单相半波整流电路 ( 图 4-1-1) 电路名称电路原理图波形图 4-1-1. 图解单相全波整流电路

30 山东农业大学学报 ( 自然科学版 ) 第 49 卷. 技术要求输入电压 :A:0 V±0%, 输出电压 :D 5 V 75 V; 额定电流 :5 A; 功率因素 :>90%; 效率 :>90%; 四段式充电过程 : 预充电 恒流充电 恒压充电和浮充 ; 保护功能 : 充电机输出过压保护 开路保

30 山东农业大学学报 ( 自然科学版 ) 第 49 卷. 技术要求输入电压 :A:0 V±0%, 输出电压 :D 5 V 75 V; 额定电流 :5 A; 功率因素 :>90%; 效率 :>90%; 四段式充电过程 : 预充电恒流充电恒压充电和浮充 ; 保护功能 : 充电机输出过压保护开路保