在ev電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，30kw及以上高效、超大容量充電模塊，早已是傳導(dǎo)式直流快速充電樁市場(chǎng)的需求。當(dāng)前，大功率、快速電力電子開關(guān)器件igbt和新型高導(dǎo)磁材料不斷涌現(xiàn)，用于dc/dc變換器的集成控制器，單片微機(jī)等技術(shù)也已成熟，為超大容量充電模塊的開發(fā)提供了良好的條件。我們選用這些新器件、新材料，在研制新型超大容量pwm移相全橋dc/dc變換器做充電模塊的工作中，成功開發(fā)出zvs+zcs綜合軟開關(guān)新技術(shù)，生產(chǎn)了30kw充電模塊、及40，50kw單模塊移動(dòng)式直流快速充電樁和多模塊超大容量電動(dòng)大巴直流快速充電樁。該技術(shù)對(duì)儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
背景技術(shù)：
：現(xiàn)在廣泛采用的移相全橋zvs(電壓過零開通軟開關(guān))dc/dc變換器原理線路如圖1，它有兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂用一個(gè)igbt絕緣柵晶體管模塊，其上有二個(gè)可控開關(guān)管。兩臂并聯(lián)后接向三相整流濾波電源vs，超前臂q1、q3，滯后臂q4、q2，共四個(gè)大容量igbt絕緣柵晶體管。每個(gè)管由集電極、發(fā)射極和絕緣柵極，構(gòu)成電壓型受控開關(guān)，開關(guān)兩端反向并聯(lián)一個(gè)體內(nèi)二極管di和一個(gè)換向電容cpi(體內(nèi)電容加上外并電容之和，i＝1，2，3，4)組成。兩橋臂中結(jié)點(diǎn)跨接一只變壓器t1。變壓器是靠吸收激磁電流im產(chǎn)生主磁通之后，建立變壓器原、副邊兩線圈n1與n2間“電壓與匝數(shù)成正比；電流與匝數(shù)成反比n的電磁感應(yīng)關(guān)系，才能進(jìn)行能量傳遞的。與此主磁通對(duì)應(yīng)的電感稱為變壓器的激磁電感l(wèi)m。兩線圈電流i1,i2產(chǎn)生的僅穿過自身線圈的磁通稱為漏磁通，對(duì)應(yīng)的電感為漏電感l(wèi)σ1和lσ2。為便于原理分析，令變壓器變比n＝1得到等值電路，重新繪出移相全橋zvsdc/dc變換器等值原理線路圖，如圖2。超前臂二開關(guān)管q1、q3，滯后臂二開關(guān)管q4、q2的柵極分別接受相位相差180°，相角寬度為180°兩對(duì)脈沖c、d及a、b的移相觸發(fā)控制，為了防止同一橋臂的二管在換向時(shí)發(fā)生直通短路故障，脈沖的初始需要留出可調(diào)整的死區(qū)時(shí)間δtcd,δtab。電路一旦啟動(dòng)，四個(gè)脈沖同時(shí)出現(xiàn)，因?yàn)榇藭r(shí)a與c；b與d同相位，變壓器t1承受電壓為零。滯后臂脈沖a，b相位是固定的，超前臂脈沖c、d，隨著軟啟動(dòng)的展開逐漸向后移動(dòng)相位(故稱c、d為超前臂)，使變壓器t1承受電壓的工作相位角α逐漸增加，在副邊，感應(yīng)產(chǎn)生+-交變，逐漸展寬的方波電壓，向副邊饋送的能量隨之增加。圖3波形圖，能幫助清晰表示此過程，結(jié)合圖4中多個(gè)分時(shí)段等效電路拓?fù)?，?duì)其工作原理分述如下：t0～t1時(shí)，能量傳送期。見圖-3波形圖和圖4-1，變壓器流過激磁電流im，原、副邊建立電磁感應(yīng)關(guān)系。d相對(duì)a脈沖向后移動(dòng)相位角α，即是q3，q4觸發(fā)導(dǎo)通，變壓器承受電源電壓的相位角，cp1cp2被電源vs充電，忽略線圈電阻和漏電感，則原邊電流負(fù)載電流，折射到原邊的負(fù)載電流。im：變壓器的激磁電流)。t1～t1+δtcd超前臂換向，電路進(jìn)入換向期。見圖3，t＝t1時(shí)脈沖d關(guān)閉，q3截止，在死區(qū)δtcd期間內(nèi)，因?yàn)殡姼须娏鞑粫?huì)突變，給q3的換向電容cp3充電，電壓上升至q1體內(nèi)二極管d1導(dǎo)通，嵌位于vy＝vs，此時(shí)死區(qū)時(shí)間δtcd結(jié)束，脈沖c觸發(fā)開關(guān)管q1實(shí)現(xiàn)zvs電壓過零開通，vxy＝0，施加于變壓器t1原邊線圈n1的電壓vst＝vm+vσ1＝vxy-vσ1＝vσ1漏電感電壓隨即消失為零，施加變壓器的電壓為零，激磁電流im＝0，變壓器失去電磁感應(yīng)關(guān)系，原邊電流t1+δtcd～t2原邊環(huán)流期。電流流過q1管內(nèi)的d1→滯后臂開關(guān)管q4→變壓器的原邊線圈n1→q1體內(nèi)二極管d1→形成環(huán)流i1。電路等效于通有電流的r1，lσ1電路短路，(r1：變壓器的原邊線圈n1電阻)根據(jù)基爾霍夫第二定律，此過渡過程組成一齊次微分方程解得：此環(huán)流將按照為初始值，為衰減系數(shù)，要延續(xù)到t2滯后臂觸發(fā)脈沖a關(guān)閉，q4截止,見圖3，環(huán)流i1繼續(xù)延續(xù)到t2+δtab。變壓器副邊的負(fù)載電流i0，在t1～t2時(shí)間內(nèi)，將作為濾波電感l(wèi)f續(xù)流，其斜率變壓器兩邊電流，原邊是衰減的環(huán)流，副邊是濾波電感l(wèi)f的續(xù)流，二者已經(jīng)不存在任何電磁感應(yīng)關(guān)系。t2～t3滯后臂換向，變壓器完成一次反向。見圖3，i1波形及圖4-3，t2脈沖a關(guān)閉,q4截止，在b脈沖死區(qū)δab期間內(nèi)，衰減后的電流給q4的換向電容cp4充電，電壓按此規(guī)律下降直至q2體內(nèi)二極管d2導(dǎo)通，嵌位于vx＝0，死區(qū)時(shí)間結(jié)束，觸發(fā)脈沖b出現(xiàn)，開關(guān)管q2實(shí)現(xiàn)zvs，完成q4→q2二管換向，變壓器完成一次反向。但是該換向是在漏電感l(wèi)σ1和開關(guān)器件外并電容cp4之間諧振，利用能量完成的，受漏磁電感l(wèi)σ1能量限制無法保證全程負(fù)載實(shí)現(xiàn)zvs。能量不足或過激都會(huì)使開關(guān)管強(qiáng)迫開通或出現(xiàn)振鈴，增加開關(guān)損耗，電路：+vs→q1→漏感l(wèi)σ1→q2→-vs根據(jù)基爾霍夫第二定律得到方程：電源換向后先是二極管d1、d2導(dǎo)通，以維持原有環(huán)流i1的連續(xù)，按照規(guī)律，見圖3的i1波形，先降為零，繼而反向升高直至建立足夠的負(fù)載電流折射值之后吸收激磁電流im恢復(fù)電磁感應(yīng)關(guān)系。無論滯后臂是zvs電壓過零軟開通還是強(qiáng)迫開通，完成換向，都是在激磁電流im＝0變壓器是在無電磁感應(yīng)的條件下工作的，在脈沖b工作區(qū)間，變壓器副邊總有一段時(shí)間無感應(yīng)電壓，造成副邊電壓占空比的丟失。負(fù)載電流i0'越大、漏感l(wèi)σ1越大，則占空比丟失越多。見圖3vxy、i1波形和圖4-3，圖4-4，占空比丟失t2～3＝δtab+δα。t3～t4，下一個(gè)能量傳送期。吸收激磁電流im恢復(fù)電磁感應(yīng)關(guān)系，忽略線圈電阻和漏電感得出：重新進(jìn)入下一個(gè)能量傳送期，綜上所述，移相全橋zvs(電壓過零開通軟開關(guān))dc/dc變換器電路存在如下問題：1，超前臂換向帶來了環(huán)流，它與變壓器副邊的續(xù)流同時(shí)存在，額外增大損耗。2，滯后臂的換向，不能在寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)zvs電壓開通軟開關(guān),增加了開關(guān)損耗，3，變壓器副邊電壓占空比的丟失δtab+δα，受漏感l(wèi)σ1和負(fù)載的影響，使輸入電壓工作范圍減小。4，大功率開關(guān)管的帶(負(fù))載關(guān)斷和帶電(壓)開通，使電磁兼容性能變差。5，為得到輸出恒電壓，恒電流控制，負(fù)反饋采樣信號(hào)直接取自輸出，不僅電磁兼容差，安全性能差。上述問題的存在使效率降低，工作穩(wěn)定性差，單模塊容量無法提高，最大只能做到5kw。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)上述移相全橋zvsdc/dc變換器電路存在問題，提出1，用納米晶高導(dǎo)磁環(huán)形磁芯繞制變壓器t1，副邊線圈n2繞在里層，以降低漏電感l(wèi)σ2，輸出濾波電感采用高導(dǎo)磁鐵基非晶材料，設(shè)計(jì)變壓器和輸出濾波電感，磁感應(yīng)強(qiáng)度比鐵氧體材料分別提高2.5和2.75倍。2，增設(shè)一對(duì)用ee型鐵氧體磁芯，兩個(gè)線圈骨架的內(nèi)層繞上工作線圈w01，w02，“尾—尾相接”接于變壓器原邊，流過電流i1，外層繞上控制線圈wc1，wc2，“首進(jìn)尾出”流過負(fù)載電流i0。得到一對(duì)受負(fù)載電流i0控制的可控飽和電感l(wèi)k＝lk1+lk2＝f(i0)。變壓器t1原邊線圈n1置于工作線圈w01，w02的中間。3，在變壓器副邊整流橋d5\6\7\8和濾波電感l(wèi)f之間接入二個(gè)充電時(shí)串聯(lián)，放電時(shí)并聯(lián)的rcd緩沖電路。4，滯后臂二開關(guān)管q4、q2，都工作在過零關(guān)斷狀態(tài)，決定取消外接換向電容cp4cp2并將觸發(fā)脈沖a，b初始的死區(qū)時(shí)間δtab令其接近為零，我們選取0.2us，比超前臂縮減了1us,用于增加工作占空比。至此得到大功率移相全橋zvs+zcs綜合軟開關(guān)dc/dc變換器原理線路圖，示于圖5。變壓器等值電路替換原理圖得到圖6等值電路圖。其電路中重要的檢測(cè)點(diǎn)波形圖，示于圖7。結(jié)合圖8中多個(gè)分時(shí)段等效電路拓?fù)?，?duì)其工作原理分述如下：t0～t1時(shí)，能量傳送期。見圖7波形圖和圖8-1，變壓器流過激磁電流im，建有電磁感應(yīng)關(guān)系，q3、q4導(dǎo)通，cp1、cp2(后者僅剩體內(nèi)電容)被電源vs充電，忽略環(huán)形變壓器線圈漏阻抗r1、lσ1、r2、lσ2，激磁電感l(wèi)m兩側(cè)有一對(duì)可控飽和電感l(wèi)k1和lk2，則受負(fù)載電流i0控制vlk近于零忽略，原邊電流負(fù)載電流，折射到原邊的負(fù)載電流。im：變壓器的激磁電流)。t1～t1+δtcd，超前臂換向，電路進(jìn)入換向期。見圖7和圖8-2，t＝t1時(shí)脈沖d關(guān)閉，q3截止，在c脈沖死區(qū)δtcd期間內(nèi)，電流受電感電流不能突變影響還因?yàn)樵鲈O(shè)了可控飽和電感l(wèi)k＝lk1+lk2會(huì)有助于電感的恒流作用，給q3的換向電容cp3充電，電壓按規(guī)律上升直至q1體內(nèi)二極管d1導(dǎo)通，嵌位于vy＝vs。t1+δtcd死區(qū)時(shí)間結(jié)束，觸發(fā)脈沖c出現(xiàn)，開關(guān)管q1實(shí)現(xiàn)zvs電壓過零開通，超前臂的zvs軟開關(guān)得以保持。此時(shí)變壓器原邊電壓是按著規(guī)律迅速下降的，由于變壓器電磁感應(yīng)關(guān)系的存在，使副邊電壓隨著感應(yīng)變化，而此時(shí)緩沖電容cs1cs2自身充電電壓跟隨改變的只有d10d11的反置電壓，整流橋處于阻斷狀態(tài)待變壓器電壓下降致使二極管d10、d11導(dǎo)通，電容cs1、cs2并聯(lián)放電,見圖8-6根據(jù)按照規(guī)律，成為輸出濾波器lf的續(xù)流，向負(fù)載放電,見圖7，vlf波形。因?yàn)閏s1＞＞cp,續(xù)流時(shí)繼續(xù)阻斷負(fù)載電流i0向原邊的折射，見圖7的i1和圖8-7。lk1和lk2的工作線圈w01和w02分別置于變壓器原邊線圈兩側(cè)，待超前臂換向完成，d1導(dǎo)通，vst即降為零，變壓器激磁電流隨之消失im＝0，變壓器的原邊電流原邊電路進(jìn)入零電流間隔期。見圖7的電流波i1和圖8-2。.變壓器副邊的負(fù)載電流i0，在t1～t2時(shí)間內(nèi)，將作為濾波電感l(wèi)f續(xù)流，其斜率此期間原邊為零電流間隔期，副邊的電流i0是lf的續(xù)流。t2～t3滯后臂zcs零電流換向。見圖7，t2時(shí)，脈沖a關(guān)閉，b脈沖近于同時(shí)(時(shí)間δtcd＝0.2us)出現(xiàn)，變壓器在零電流狀態(tài)下完成了一次極短延時(shí)的反向。電源電壓vs加在可控電感l(wèi)k＝lk1+lk2上，見圖8-3。根據(jù)規(guī)律，電流i1變化率為vs/lk。通過對(duì)可控飽和電感l(wèi)k選澤控制繞組與工作繞組的安匝比(wc1i0/w01i1)和磁芯間隙，獲得受負(fù)載電流i0控制的可控飽和電感l(wèi)k＝f(i0)，見下表1,得到從零起步，斜率受可控電感l(wèi)k即負(fù)載電流i0控制，相應(yīng)負(fù)載電流折射值見圖7電流波i1，t2～t3段。電路如圖8-3。表1.受負(fù)載電流i0控制的可控飽和電感l(wèi)k＝f(i0)i0(a)021.5395166.976lk(uh)22.722.811.74.02.72.0t3～t4受能量平衡影響，變壓器會(huì)吸收激磁電流im，使變壓器原、副邊間恢復(fù)電磁感應(yīng)關(guān)系，依靠可控飽和電感l(wèi)k建立的相應(yīng)負(fù)載電流折射值，順利進(jìn)入副邊，給緩沖電容cs1、cs2串聯(lián)充電，此時(shí)出現(xiàn)的副邊電壓vst加在了漏電感l(wèi)σ2與緩沖電容cs1cs2串聯(lián)的振蕩電路，為了有效消減震蕩，在反向二極管d10、d11旁并聯(lián)緩沖電阻r1，和r2，吸收漏電感l(wèi)σ2的寄存能量。此時(shí)的等效電路見圖8-4，圖8-8，如同直流電壓vst接通了兩衰減的振蕩電路lσ2，cs1，r2；lσ2，cs2，r1。結(jié)構(gòu)上要求變壓器副邊線圈n2置于內(nèi)層，減小漏電感l(wèi)σ2和寄存能量，可以減輕電阻r1和r2承擔(dān)的能耗負(fù)擔(dān)，確保緩沖電容充電電流與輸出濾波器lf續(xù)流的無縫對(duì)接，電路順利進(jìn)入能量傳送期。t4～t5重新進(jìn)入下一個(gè)能量傳送期。見圖8-4在較大負(fù)載時(shí)vlk近于零，則在此期間還有一個(gè)給緩沖電容cs1、cs2通過電阻r2、r1的充電電流，見圖7中的電流波i1在正弦波之后是斜率接近為零的用虛線表示的平波。具體實(shí)施方式用本專利技術(shù)大功率移相全橋zvs+zcs綜合軟開關(guān)dc/dc變換器，成功開發(fā)的第一個(gè)產(chǎn)品kcg3-120a/e264v-3g智能充電機(jī)用于某海島航標(biāo)燈電源充電機(jī)。工作頻率25khz，輸出功率：31.8kw；額定電壓、電流：264v,120a；輸入電壓：3φ380vac。本專利技術(shù)主要用在天津北洋電氣有限公司byc-30x系列充電樁，為本公司純電動(dòng)汽車、巴士超大容量直流快速充電樁做30kw充電模塊配套，有望用在單機(jī)、單模塊40kw,50kw移動(dòng)式直流快速充電樁。30kwdc/dc變換器模塊負(fù)載實(shí)驗(yàn)效率數(shù)據(jù)表上表為30kwdc/dc變換器模塊負(fù)載實(shí)驗(yàn)測(cè)得的效率數(shù)據(jù)表。最高效率為95.5％，超前臂igbt開關(guān)管風(fēng)冷條件下的溫升35℃。當(dāng)前第1頁12