1、本科毕业设计（论文）电动汽车充电柱研制DEVELOPMENTOFELECTRICVEHICLECHARGINGCOLUMN学院电子信息工程学院专业自动化学生姓名学号11212068指导教师北京交通大学2018年5月学士论文版权使用授权书本学士论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学士论文的规定。特授权北京交通大学可以将学士论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名指导教师签名签字日期年月日签字日期年月日中文摘要摘要作为电动汽车充电系统的核心部件，充电柱拓扑结构一
2、直是研究的热点。目前，国内外很多企业和单位都开始对电动汽车充电系统进行研究。本文主要围绕着全桥变换器进行电动汽车充电柱系统的设计工作。首先，本文对现今国内外充电技术有了一个比较详细的介绍。在此基础上，针对电动汽车充电系统的特点，最终设计了基于移相全桥ZVS变换器的主电路方案，研究了该变换器存在的占空比丢失、副边整流二极管振荡等缺点，并以此为基础进行了参数设计。随后，对移相全桥ZVS变换器进行建模，得出了系统开环函数。设计了以TMS320F28335为基础的控制电路，包括检测电路、IGBT管驱动电路以及保护电路等，并对参数进行了计算。最后，以MATLAB/SIMULINK软件对设计的电路系统进行
3、了仿真。对各部分输出波形进行了相关数据分析和验证。关键词电动汽车充电；移相全桥；MATLABDSP北京交通大学毕业设计（论文）目录4ABSTRACTABSTRACTASTHECORECOMPONENTOFELECTRICVEHICLECHARGINGSYSTEM,CHARGINGCOLUMNTOPOLOGYHASALWAYSBEENARESEARCHHOTSPOTATPRESENT,MANYENTERPRISESANDUNITSAREFORELECTRICVEHICLECHARGINGSYSTEMWERESTUDIEDTHISPAPERMAINLYREVOLVESAROUNDTHEFULLBR
4、IDGECONVERTERFORELECTRICVEHICLECHARGINGCOLUMNSYSTEMDESIGNWORKFIRSTOFALL,INTHISPAPER,THECURRENTCHARGINGTECHNOLOGYATHOMEANDABROADHAVEAMOREDETAILEDINTRODUCTIONONTHISBASIS,ACCORDINGTOTHECHARACTERISTICSOFTHEELECTRICVEHICLECHARGINGSYSTEM,FINALDESIGNBASEDONPHASESHIFTFULLBRIDGEZVSCONVERTERMAINCIRCUITSCHEME,
5、STUDYTHEDUTYRATIOOFTHEEXISTENCEOFCONVERTERLOST,DEPUTYSHORTCOMINGS,SUCHASEDGERECTIFIERDIODEOSCILLATIONSANDBASEDONTHEPARAMETERDESIGNBASEDONTHIS,THEPHASESHIFTFULLBRIDGEZVSCONVERTERMODELING,ITISCONCLUDEDTHATTHEOPENLOOPSYSTEMFUNCTIONDESIGNTHECONTROLCIRCUITBASEDONTMS320F28335,INCLUDINGTHEDETECTIONCIRCUIT,
6、IGBTDRIVINGCIRCUITANDPROTECTIONCIRCUIT,ETC,ANDTHEPARAMETERSARECALCULATEDFINALLY,USINGMATLAB/SIMULINKSOFTWARETODESIGNTHECIRCUITOFSYSTEMARESIMULATEDONTHEPARTOFTHEOUTPUTWAVEFORMDATAANALYSISANDVERIFICATIONKEYWORDSTHEELECTRICCARCHARGINGPHASESHIFTFULLBRIDGEMATLABDSP北京交通大学毕业设计（论文）目录5目录中文摘要3ABSTRACT31引言711电
7、动汽车充电柱研制的研究背景与意义712电动汽车国内外研究状况7121国内电动汽车研究7122国外电动汽车研究现状813电动汽车充电技术介绍814课题研究主要内容112电动汽车充电柱方案研究1121电动汽车充电柱拓扑结构选择1122电动汽车充电柱方案选择1523本章小结163移相全桥ZVS变换器的工作原理及相关问题1631移相全桥ZVS变换器的基本工作原理1632移相全桥ZVS变换器的工作过程1733移相全桥ZVS变换器相关问题的分析18331零电压开通实现18332副边占空比的丢失18333副边整流二极管振荡1934本章小结204变换器参数设计2041主电路高频变压器设计2042开关管的选择2
8、243电感和电容的选择22431输出滤波电感和电容参数的设计2244谐振电感和电容的设计2345本章小结235电动汽车充电柱电源系统设计2351充电柱控制系统硬件设计23511TMS320F28355最小系统23512检测电路设计26513IGBT管驱动电路设计27514保护电路设计2952充电柱控制系统软件设计30521主电路信号模型建立30522全桥电路数字控制策略31523设计PWM信号32524AD采样32525整体控制流程3253本章小结33北京交通大学毕业设计（论文）目录66主电路MATLAB仿真与结果分析3361主电路MATLAB仿真3362本章小结357结论35参考文献36致谢
9、361引言11电动汽车充电柱研制的研究背景与意义随着人类生活水平的提高，人类对于代步工具的选择，越来越趋向于私家车，而汽车在燃油方面极度需求，在对石油需求的同时，大量汽车排放的尾气对周围生活换环境的勿扰也是不可避免的，所以，发展电动汽车将是一个解决先进燃油汽车剧增的方案。人类对于能源的恐惧，造成了先进发展电动汽车的潜力，随着各种工业的发展，人类对于石油能源的需求已经远超过我们的想象，所以发展电动汽车已经成为一种趋势。随着汽车诞生以来，汽车数量每年都在剧增，以前，你几乎看不到汽车，更没有停车困难这件事情，而随着生活水平提高，汽车拥有者变多，大家出门，开始担忧的不是能不能找到一个自己想去的地方，而
10、是担心自己能不能为汽车找到一个停放的地方，同时，某些地方为了应对汽车增长，开始了限号措施，对于牌照的发放，也实现了摇号的方式，这种情况更确定的需要发展代替燃油汽车的电动汽车。在1990年之前，单纯的以电力为能源的电动汽车已经被开发应用，但是由于当时电池性能的低下，导致电动汽车并没有被推广。随着电力电机技术的发展，欧美国家率先得到技术的支持下发展了电动汽车。与此同时，电力与燃油同时驱动的混合动力汽车也被各个公司开发研究。在这方面，日本最早开始生产和开发混合动力汽车，并逐渐将其产业化，世界上最早被大批生产并应用的便是1997年丰田生产的混合动力汽车，到现在为止，已经售出了超过200辆。在国际汽车市
11、场上，奔驰，沃尔沃等众多知名汽车厂商也都前后开发了燃油电力两用汽车。同时，我国在第十二个五年计划中，也重点的提出了要加强中国的电动汽车行业，将其做大，做强。过年知名汽车厂商，一汽、东风、比亚迪等都响应号召，争相研发电动汽车，并将其在市场上得到应用。在电动汽车大发展的背景下，确立了对电动汽车充电柱进行设计研究。一辆汽车不管是靠燃油还是电力，都必须有驱动它前进的动力，因此，对汽车充电柱的研究，更是显得十分重要。以电力为唯一能源的纯电动汽车，其电力储存在车载蓄电池中，那么，能否快速的将高压电以直流形式冲进汽车蓄电池中，便成为了研究的重点，同时，也决定了电动汽车能否在市场上走的更远，未来的电动汽车充电
12、技术的发展势头一定是以快速、清洁、智能的充电方式为主。一个高效率的蓄电池充电系统，是一个汽车系统中重要的一个系统之一，同时它也是汽车能够走得更远，行驶的更远的重点所在。北京交通大学毕业设计（论文）目录812电动汽车国内外研究状况121国内电动汽车研究从20世纪70年代开始，我国开始对电动汽车技术进行了研究，到了90年代逐步发展。在国内各个知名汽车公司的努力研究下，经过“八五”、“九五”、“十五”三个五年计划取得了相当做的科技研究成果，电动汽车充电技术也得到了最快的提高。尤其是“863”计划对于电动汽车的支持和2008年奥运会对电动汽车提出了20个亿的订单合同，奥运会期间，只有中国国内制造的电动
13、汽车才可以被应用，这对于我国电动汽车研发者和研发公司而言，是一个比任何鼓励都来的实际的催化剂。在国家发展计划中，制定了专门发展电动汽车的专项，致力于发展电动汽车，大家不分官、产、学、研，统一起来，大家众志成城联合起来对电动汽车进行攻关。2001年9月正式启动了专项计划，国家加拨了88亿专项经费。这8，8亿科研经费用来支持企业发展电动汽车，使企业有更好的科研经费，实现我国对于电动汽车的一个长远的发展。在应对电动汽车的政策、法规、技术标同时不能放下步研究的步调，对电动汽车发展将会带来的基础设施增加作出相应的策略。在不断努力的6年中，在国际先进行列汽车生产中，已然出现了中国自主研发的电动汽车产品在燃
14、料电池汽车研发中取得了非常重要的进展；实现了载客运行燃油与电力双动力混合汽车，具备批量小部分生产能力；单纯的以电力为核心的电动汽车开始批量生产，已经在市场出售运营并已经相继出口。在此期间，燃料电池发动机也取得了相当大的进步，已经属于全球领先技术；发展了相当多的蓄电池产业，这些产业的蓄电池多达几千瓦，功率巨大，蓄电池的性能与以往相比，大大延长了蓄电池的供电时间，同时，供电的稳定性也有了很大的提高；电动汽车关键的底盘制造，也有了很大的提高，从以前依赖进口，到可以自主研发电动汽车的底盘。总而言之，我国电动汽车正在朝着一个向上的趋势，并且这种趋势带动了传统汽车工业的发展。122国外电动汽车研究现状到二
15、十世纪初，已经有超过100万辆的混合动力汽车在全球销售，这个数字，预计到2015年将会有期望突破450万辆，而且这个数字还在上升，全球市场对电动汽车的需求正在不断增加。在各国汽车拥有数目上，美国最多，同时，美国对于石油的需求与消耗也是巨大的。美国也为此制定了严格的尾气排放标准，为了减少对于石油的需求，美国出台了一系列鼓励电动汽车发展的政策，加大对电动汽车产业的支持，在政策的鼓励下，美国汽车生产厂商相继推出了自己的电动汽车与混合型动力汽车。我们所知道的便是，通用公司设计开发了世界上第一辆电动汽车；雪佛兰和FUSION也在这一年被推出，这是第一辆混合汽车；同时在2013年，克莱勒斯公司也推出了多款
16、单纯以电力和驱动能源的电动汽车。不仅仅是美国在发展，欧洲也在发展电动汽车上面有着自己的技术提高。德国知名汽车生产宝马公司了研究设计了7系氢动力双模式的电动汽车；标志J5、北京交通大学毕业设计（论文）目录9雪铁龙C25也在法国相继都到了推广。情况最为特殊的当属日本，日本能源问题一直是其国内关注的重点，所在早在70年代，日本汽车生产公司就已经开始对电动汽车电池进行了研究。日本的丰田公司开发并研制了第一辆国内燃料电池电动汽车。同时，丰田生产的普锐系列混合型动力汽车在全球的销售数量达到了125万。13电动汽车充电技术介绍电动汽车最主要的核心系统便是发动机，发动机的能量来源便是电动汽车上的车载蓄电池，也
17、就是，用户将充电柱上的电能直接通过接线传送到电动汽车蓄电池上，充电柱的电能，来来自直接与电网相连的380V交流电，交流电经过充电柱的一次滤波，将高频交流转换成了低频直流，直流电在变换器中经过高压变频，产生了直接供给蓄电池的直流电，这时候的直流电便可以起到给电动汽车蓄电池充电的功能。这类大多是简单、便携、控制简单的接触式充电器。不同的车型对应于不同的车载充电机，因此它的普遍性不是很高。非车载充电机独立在电动汽车之外的普遍性充电设备，包括专用充电机、公共场所充电站等等。可以适用于各种车型适配的蓄电池。它的功率、占地很大。国内外普遍采用的便是大功率的传导式充电机，功率至少是几千瓦，最大可以到几百千瓦
18、。具体分类如表21所示。表21充电机分类分类标准充电机类型连接方式传导充电机感应充电机输入电源单相充电机三相充电机安装位置车载充电机地面充电机功能普通充电机智能充电机不管是哪种电动汽车充电方式，目的是为了更加快速安全的给电动汽车进行充电。这是一种新的技术，谁掌握了便引领了下一个科技的核心，在利益与环境的双重趋势下，各国都对电动汽车充电技术有了一定程度的研究，而这其中，尤其以美日法为带头作用。以通用电气、西门子、施耐德为首的著名电气公司为牵头，陆陆续续推出了不同类型的充电机。国内，投入大量资金在研发电动汽车充电机的有北京交通大学、华北电力大学和南瑞公司以及比亚迪公司。他们都在攻克这个世界性的充电
19、问题。那就是更快、更准确、更安全的完成电动汽车的充电。快速的充电，简而言之，就是输入电流大、电压十分大，充电机的输出功率很高，这也对充电机有了更高的要求。同时，电力电子技术、微处理器和自动控制技术飞速发展，电动汽车充电技术也越来越智能化。为了让充电机工作更加稳定，对能量的损耗越来越少，同时降低充电机大功率充电对于电网的波动，研发过程中，逐渐的采用了越来越先进的拓扑结构和控制策略。同时，随着通信行业和人机交互技术的飞速发展，充电机的管理也不再是单一的，实现了更加人性化的充电机管理和更加让人易操作的交互界面。跟电脑的发展相似，人们也将很大的充电站变成越来越小、越来越智能的充电桩充电柱。这其中具有代
20、表性的便是GEWATTSTATION，这款充电机有着体积小、人机界面操作简单的优良特性，更重要的是，他可以实现电动汽车的快速充电。北京交通大学毕业设计（论文）目录10电动汽车充电有两种方式，最常规的冲电方式有恒压、恒流、恒流恒压充电，快速充电则有脉冲式充电、变电流间歇式充电、变压电间歇式充电，由于电力电子技术的不断发展，以及大家对于快速充电的要求，越来越多的难题便是如何快速充电，所以，对快速充电作出简单介绍。（1）脉冲式充电如图11所示为脉冲式充电方式曲线图，通过对开关管的循环开通控制，控制充电过程中的关断。蓄电池的接受率有限，如果一直对蓄电池充电，蓄电池的内部离子没有充足的时间反应，那么即使
21、充电一直继续，电池充电不会达到饱和。但是如果我们通过控制开关管，使它在充电过程中断开一定的时间，然后再开通，那么就可以让蓄电池的中的内部离子有一个扩散的阶段，也可以更好的使电池充电，离子的扩散时间有了，充电池的充电量便有了一个更大的提升，蓄电量提升，同时更快的充电，也使得充电效果更显著。图11脉冲式充电技术（2）变电流间歇式充电变电流间歇式充电技术充电曲线如图12所示，在充电前期对电池输入大电流，使得电池获得绝大部分的充电电能，但同时，电池中的内部离子需要一定时间阶段来充分反应，所以在充电中期进行关断，在充电后期，对电池输入电流较小的电流，使得电池充电达到完全饱和状态。IAUVUITH图12变
22、电流间歇式充电技术（3）变电压间歇式充电变电压间歇式充电与变电流间歇式充电有着很多相似的地方，只是将电池处于间歇式的充电阶段有变电流变成了变电压，变电压间歇式充电电压曲线图如图北京交通大学毕业设计（论文）目录1113所示。观察变电压间歇式充电图，我们不难看出，随着充电时间的增加，电流呈函数式递减，同时这种过程，也更加吻合电充充电本身的最佳效果，更加的提高了充电的效率，同时，对于设备控制电压比控制电流更容易，所以，这种方式更适用于生产实际。图13变电压间歇式充电技术14课题研究主要内容本次课题中，重点研究的问题是如何快速稳定的设计一个电动汽车充电柱模型，在利用所学的知识，建立主电路的拓扑结构，同
23、时对电路部分各个参数进行设计研究，建立起仿真模型。利用仿真软件对建立的电动汽车充电模型进行仿真并进行实验研究。重点研究问题（1）研究当前电动汽车充电模式，并对各种充电方式进行比较探究（2）在各种拓扑结构的对比中，尤其以全桥拓扑优异，它可以提供大功率的电流电压，同时电路的四开关管可以实现对电路电流电压的控制，所以移相全桥ZVS结构十分合适，并且考虑到了由整流桥带来的震荡问题与副边占空比丢失等问题，研究了相当多的使拓扑结构更完善的策略。（3）对于副边占空比丢失的问题，并在解决占空比丢失问题上，设计了额外的电路部分。（4）选择了TMS320F28335芯片作为控制电路的核心芯片，并以此为基础，进行了
24、控制电路的硬件电路设计和调试，其中设计了检测、保护和驱动电路。（5）设计完成了电动汽车充电柱软件设计，产生了PWM波形，两组PWM波分别对移相全桥ZVS电路的四个桥臂进行控制，对输出电流、电压进行控制。（6）最后，我们将整个系统结构用MATLAB进行模拟仿真，分析并验证试验结果，结果充分表明系统电路是可靠的，是可以实现电动汽车充电，至此，完成了本课题的要求。北京交通大学毕业设计（论文）目录122电动汽车充电柱方案研究21电动汽车充电柱拓扑结构选择直流转直流即DC/DC技术，是电动汽车充电中不可或缺的部分，电网中的交流电，经过一次滤波，变成低频直流，我们需要将低频直流经过高频变压器再通过二次整流
25、，输出平滑的直流信号。这种变换器是必须的，一般有带电气隔离或者不带电气隔离的。带隔离的直流变压器很多，如下表所示。表21带隔离的直流变换器拓扑比较部分单端反激式变换器单端正激式变换器全桥式变换器半桥式变换器推挽式变换器适合功率（W）150150不限10001000开关管数量11422控制复杂度容易容易复杂较容易较容易我们在给电动汽车充电是用直流电源充电器，同时从人身安全考虑来看，我们需要选择的系统主拓扑结构一定是带隔离的直流变换器，所以我们对隔离直流变换器的工作原理作出相应的介绍。（1）单端反激式变换器（FLYBACKCONVERTER）如图21所示，为单端反激式变换器，图中NP,NS为原副边
26、电压绕组，当VT导通时，续流二极管VD截止，电源不直接向负载传送能量，由变压器储能；当VT断开时，变压器线圈不再接受能量，需要泄放的能量经过电容电阻，传递给负载，能量通过这种方式转换的称作单端反激式变换器。TNPNSVDCORLUI图21单端反激式变换器北京交通大学毕业设计（论文）目录13（2）单端正激式变换器（FORWARDCONVERTER）由图22不难看出，晶体管VT与电感串联，二极管VD2与电容C并联，当VT导通时，电流经过晶体管VT，二极管VD3，传递到变压线圈，这个时候VD1有电流通过；当VT断开时，没有电流通过。和单端反激式变换器相比，正激式变换器是在晶体管VT导通时候能量从变压
27、器传到了负载，并且变压器只能单方向变换磁通量，所以，这种单方面变换磁通量方向的变换器被称之为单端正激式变换器。CVD3VD2VD1VTUUIL图22单端正激式变换器（3）推挽式变换器（PUSHPULLCONVERTER）如图23所示，变压器原边绕组N1N2，副边绕组N2N4。CVT1VT2UIVD1VD2U0LN1N3N2N4图23推挽式变换器当VT1导通，电流经过晶体管VT1绕组N1，N3，通过变压器传递到副边电路，二极管VD1有电流通过，此时，电流经过电感L。当晶体管VT1断开时候，VT2此时未导通，原边绕组没有电流，电感L通过副边二极管VT1、VT2，将储存的能力释放出来；VT2导通时候
28、，与VT1有着相同的工作状态，这里就不再赘述了。（4）半桥式变换器（HALFBRIDGECONVERTERTOPOLOGY）如图24半桥式变换器，半桥变换中原边电路中有两个开关管，Q1Q2，电容C1C2，二极管阻值VD1VD2，在变压器的原边副边匝数比N2N311，上文中的正激变换器的负载输出波形为全波，但是由于半桥变换器有俩负载，所以它的输出波形只有正激的一半，波形一半的情况下，半桥的输出频率就比正激高出了一倍，所以负载电路中的CF和R0要比正激电路中小很多，所以整个电路的北京交通大学毕业设计（论文）目录14成本与正激变换相比也相对便宜很多，同时有着更高的输出频率。C1C2VSQ1QQ2VD
29、1VD2N1N2N3DR1DR2DFWCFR0V0LFBA图24半桥式变换器（5）全桥式变换器如图25所示，为全桥式变换器，全桥与半桥在功率上相差一倍；也就是说，如果半桥和全桥开关电流一样，给出相等的输入电压，全桥的输出功率将是半桥的一倍。所以我们可以得出，半桥电路适用于小功率的逆变电路，全桥电路适用于大功率电路，对于电动汽车而言，我们明显需要的是全桥电路。而且，由于电路的输入电压和电流的不同，在设计变压器时，会存在较大的区别，全桥式电路变压器原边线径要相对细一点，半桥式电路的原边线圈匝数则要相对少一点。跟大多的拓扑电路想比较，半桥式和全桥由于存在多个开关管和谐振电感，解决了由于能量过多而不能
30、泄放的困扰，负载电路会直接吸收多余的存在与电感中的能量。所以就有着相对较高的效率。VSQ3Q1Q2Q4N1N2N3DR1DR2DFWLFCFV0D3D4D1D2图25全桥式变换器通过分析上述几种拓扑结构，我们可以得出关于各个拓扑结构的性能比较表。如表21所示。表21拓扑结构性能表拓扑结构缺点优点适用范围单端正激式不能适应大功率的电路环境，工作结构不复杂、适合各种复杂电路环中小功率场合北京交通大学毕业设计（论文）目录15状态下很容易出现饱和情况，大大减少了对于变压器的利用境，不会产生俩桥臂开关管直通和单向偏磁现象，经济花费低双单端正激式对变压器的要求数量较多，对变压器的利用率较低，同时占用体力较
31、大结构不是很复杂、易于调整、且性能稳定，不会产生俩桥臂开关管直通和单向偏磁现象，大功率场合半桥式通过开关管的电流时全桥电路的两倍，没有避免直通短路、变压器直流偏磁的危险经济成本较低、体积较小，半桥电路有着很强的抗不平衡能力中小功率场合全桥式经济成本交大、有着变压器直流偏磁、直通短路等风险主电路结构不是很复杂，变压器工作状态好，可以在磁滞曲线两侧工作，同时体积较小，可以提供交大的功率大功率场合在电路中出现变压器功率开关管额定电压和电压相同时，电路输出功率大小与开关管数量成正比，由于全桥式电路含有四个功率开关管，所以全桥电路的输出功率最大。四个管子所承受的电压为电路原边电压，流进开关管的电流是平均
32、输入电流的大小，因此全桥电路十分适合电动汽车充电柱的这种大功率充电。所以，采用全桥式变换器作为电动汽车充电柱的拓扑结构十分合适。同时，在全桥变换器中，为了提高对电源的利用率，同时降低电路本身的损耗，近年来，对于全桥软开关技术有了很多的研究。软开关技术是医用在开关管开通之前是的开关管两端电压降低至零，或者将两端电流降低至零的一种技术，通过降低电压或者电流，这样不会出现电流电压彼此重合在一起，这对于电路是一种大大的不稳定，同时，实现零电压开关，也是对于电路能量的利用，提高了电路对于各个元器件功能的利用，大大的提高了电路的能量利用。22电动汽车充电柱方案选择由前文可以了解到，在设计电动汽车充电柱的过
33、程中，对于这次设计有了更明确的要求，首先，电动汽车充电要满足功率大、效率高、电气隔离，其次输出可控、安全可靠。由于电动汽车使用的电源为220V交流电源，所以在充电过程中，电流较大，所以必须在电源与电动汽车之间加上隔离器，全桥ZVS软开关拓扑结构自带隔离变压器，可以起到保护作用，便达到了安全目的；同时，由于充电的大功率，单端正激式、反激式、推挽式等都由于适合功率较小的场合，所以全桥变换更适合这次方案的设计；同时，由于对汽车充电频繁带来的充电器件的损耗，必须考虑在内，移相全桥ZVS电路本身就具有减少了开关损耗等问题，所北京交通大学毕业设计（论文）目录16以也更加适合本次方案选择。由图26我们可以更
34、清楚的了解设计方案。功率大效率高电气隔离输出可控安全可靠全桥电路软开关技术带隔离变压器电动汽车充电柱方案设计移相全桥ZVS变换器参数设计仿真验证控制策略故障保护两段式智能充电、双闭环控制各类保护电路实验验证设计正确可靠性是否图26电动汽车充电柱设计思路23本章小结本章介绍了电动汽车充电电路中的几种常见的拓扑结构，同时，按照对于电动汽车充电柱的要求，选择出了全桥移相ZVS拓扑结构，并对接下来的工作有了明确的分步。3移相全桥ZVS变换器的工作原理及相关问题31移相全桥ZVS变换器的基本工作原理如图所示，我们给出了全桥变换器的拓扑结构。其中Q1，Q2，Q3，Q4位电路的晶体开关管，C1，C2，C3，
35、C4位电容，其中C1C2，C3C4，D1，D2，D3，D4为二极管，可以看到电路中的电感电容，电路输出电流电压的大小收到了四个桥臂的影响，前两个桥臂组成超前桥臂，后两个桥臂组成了滞后桥臂，电路产生的PWM波信号传递到桥臂中，通过控制俩桥臂相位角，可以起到控制输出电流电压的作用。与第二章中的全桥电路相比，每个开关管都并联了一个谐振电容，在变压器与Q1,Q3中间串联了一个谐振电感LR和一个谐振电容CB，在开关管断开时刻由于谐振电容CB的存在，开关管两端的电压可以从零开始慢慢上升，这北京交通大学毕业设计（论文）目录17样就可以避免开关的直接断开与闭合，实现软开关，这样电路中多余的能量，不用通过泄放电
36、阻，反而直接利用电路中的能量起到了对于电路的开关作用，这里多余的能量是指存在于电感LR中的多余能量，这种工作方式，既减少了开关的开关次数，也有效的利用了电路中能量，大大提高了对于电路的利用率，整体上提高了系统的效率。VDCQ1D1C1Q2D2C2LRCBQ3D3C3N1N2Q4D4C4D5D7D6D8C0RLF图31移相全桥ZVS拓扑结构32移相全桥ZVS变换器的工作过程在一个开关周期中，移相全桥ZVS变换器有12中开关模式，所以这里只对他半个周期的六个工作模式进行分析。电路中不存在理想元件，但是我们在这里考虑变换器的工作过程，把它当做理想状态。我们这里假定LF2RLK，K是变压器的原副线圈匝
37、数比。为了对移相全桥ZVS变压器工作工程有一个更好的理解，给出了一个周期的电压、电流波形图，如图32所示。北京交通大学毕业设计（论文）目录18图32一个周期内的ZVS变换器的电流、电压波形初始时刻0T从图32中我们可以看到，电流经过Q1，Q2，电流经过变压器被放大。副边电路中有电流通过。（1）第一阶段0T,1T,此时，Q1断开，Q4导通。Q1关断后，电感LR与LF的阻值加起来很大，可以认为原边电流几乎不变，电压逐渐呈线性上升，此时处于断开状态。等到1T时候，C2的电压慢慢下降到零，D5和D8导通，输出电压呈线性下降。（2）第二阶段1T，2T，此时Q4导通，当T2T时候，Q4关断。（3）第三阶段
38、2T，3T，此时Q2导通，Q4关断，A点电压为零，因为滤波电感电流只能缓慢上升或下降，所以此时副边的四个二极管都处于导通状态，0V0。（4）第四阶段3T，4T，此时Q3导通，在3T时刻，原边电流将能量反馈给电源VDC，所以副边电路的所有二极管都处于导通状态，输出电压仍然为零。（5）第五阶段4T，5T，此时Q2，Q3处于导通状态，与第四阶段相同，副边电路所有的二极管都处于导通状态，输出电压为零。（6）第六阶段5T，6T，此时Q2，Q3导通，当T6T时，Q2断开。所以C1开始放点，C2处于充电状态，导致Q2断开，实现了Q2的软关断。下半个周期类似。北京交通大学毕业设计（论文）目录1933移相全桥Z
39、VS变换器相关问题的分析由22可以知道，移相全桥ZVS变换器性能优良，两个桥臂的开关在理想条件下可以实现零电压软开关控制开断，而且由于软开关的实现，减少了对于开关开断的损耗，效率变高，这与当今社会科技发展要求的更快，更小，更简便相吻合，但是，不可否认的，在研究移相全桥ZVS过程中，发现了一系列问题，这其中包括开关管ZVS的实现条件，整流桥二极管反向恢复的产生震荡以及开关管的谐振缓冲等。下面将具体带来介绍及解决方法。331零电压开通实现有前面分析ZVS变换器工作过程我们可以得到，为了实现ZVS零电压开通，需要有足够能能量用来1、给同一个桥臂要关断的开关管的结电容或者是外加电容进行充电；2、结电容
40、上的电荷会影响开关管的性能，所以必须减少结电容上的电荷；3、寄生电容会影响变压器的性能，所以必须减少电荷。当电路负载较小时，原边电流较小，使得谐振电感上不能储存太多的能量，在实现零电压开通上面存在一定的难度，由于电路负载较小时，消耗能量较少，所以，只需要适当加大负载便可以实现零电压开通。332副边占空比的丢失参考文献【1】知道，由于谐振电感的存在，原边电流从负值到正值需要一定的时间，在这段时间内，虽然原边存在或负或正的电压方波，但是由于负载电量大于原边电流，导致，副边电路的所有二极管处于导通状态，因此导致了部分方波电压的丢失。副边占空比丢失可以由公式31表示LSSDD（31）其中FI是副边输出
41、电感电流；N是高频电压器原副线圈匝数比；FL是输出滤波电感；DCV是该电路的输入电压；0V是输出电压；RL是谐振电感。有公式我们可以得出当RL越小、负载越小、输入电压越大时，副边占空比丢失情况将会减少，这跟我们之前说的适当增加负载可以提高ZVS变换器效率的结论是矛盾的。为了解决两者的问题，可以将谐振电感用饱和电感来替代或者滞后桥臂增加辅助电路实现ZVS。（1）将谐振电感用饱和电感来替换如图31所示，。把原来的变换器中的谐振电感换成了饱和电感，本来电流大小很低的时候，电感值很大，这时候的电路相当于开路，当我们用饱和电感来代替的时候，原边绕组的电流就很小了，从而降低了电路的副边占空比。只是这时候电
42、路的消耗可能过大，对电路损耗较大。北京交通大学毕业设计（论文）目录20（2）滞后桥臂增加辅助电路来实现ZVSVDCQ1D1C1Q2D2C2LRCBQ3D3C3Q4D4C4LK图33滞后桥臂增加辅助电路和图31相比对，原来电路中没有的谐振电感LK被夹在了开关管Q2与Q4之间，我们这么做的目的是为了利用好谐振电路的作用，多添加的谐振电感LK可以让Q4的开关管得到零电压开关的功能。当我们把输入电压和负载的大小在任意范围内都可以使用的时候，C1、C2、C3、C4的充放电时间被大大减小了，这样我们可以大大的使桥臂滞后，从而减小了占空比。333副边整流二极管振荡就我们目前所了解的，在抑制副边整流二极管电压
43、振荡的结对方案中，有以下一种方案（1）副边添加RC缓冲电路（2）副边添加RCD缓冲电路（3）副边并联主动箝位缓冲电路（4）原边添加箝位二极管缓冲电路在参照文献【2】我们可以知道，目前而言大多数采用的都是方案（4），所以我们在这里对方案（4）作出具体的解释。图34原边添加箝位二极管缓冲电路由图可以看出，当电流源VS没有提供电源时，原边电路中存在闭合环路，北京交通大学毕业设计（论文）目录21所以电流会从VS到开关管D2经过谐振电感LR最后通过二极管DR1，此时电感LR中的能量并没有通过电压器传递到原边电路添加的电路中，减少了电流对于电路的影响，将能量合适的泄放，从而抑制了副边整流桥臂电压振荡尖峰。
44、34本章小结在本章中，我们具体的对电动汽车充电柱所选用的拓扑结构即移相全桥ZVS变换器进行了具体的分析，了解了ZVS变换器的工作原理，它在工作过程中所产生的一些问题，并对工作过程中产生的问题有了具体的解决方案，这对于我们理解并做好电动汽车充电柱有很大的帮助。4变换器参数设计由前三章我们对电动汽车充电柱组成有了具体的了解，本章将对具体的电路主拓扑结构移相全桥ZVS变换器具体参数给出设计。由前文我们可以了解到，主电路拓扑结构电路中由一次滤波后的直流电源，对电路起到开关作用的晶体开关管，释放电路能量起到抑制副边整流二极管振荡电压的谐振电感，对一次滤波后的直流电压进行降压的主电路变压器，以及其他控制电
45、路。下面对各个部分参数设计进行一一介绍。41主电路高频变压器设计变压器是整个电路的核心，这部分电路功能便是通过变压器实现功率降低的做作用，所以变压器的选择和设计十分重要。我们知道电网中的高频电压经过一次整流滤波成直流电压，我们在移相全桥变换器中，将直流电压通过桥路变成交流电压，通过高频变压器变换成高频交流。交流电压输入值在，交流电网频率为50HZ，所以输入点电流大小38010340420V。有效值在V有效24807659388V。交流电压通过整流桥变成直流电压V有效290430V59388V。其中变压器匝数比K原边匝数副边匝数N1N2,变压器增益KD，D为移相全桥ZVS变换器电路占空比，电路变
46、换中，对于整流二极管经过电流要求很高，为了降低通过的电流，提高电路效率，我们尽可能的使K值变的小一点，K值变小，可以降低通过整流二极管的电压，减小了电路损耗，考虑到占空比丢失，我们假设D的取值最大是085我们假设二极管VD的导通压降为15V，LR的压降为2V。那么我们便可以得到副边输出电压最小值，02DLVVVD265V（41）北京交通大学毕业设计（论文）目录22所以原副线圈匝数比KV1/V2380/26506942我们需要的功率在10KW左右,表41为市面上磁芯规格和功率大小。41铁芯规格及功率大小产品规格铁芯尺寸MM护和尺寸（MM）截面积C磁路长度（CM）质量（G）适用功率（KW）通用电流
47、（A）ODRDHTODRDHTJSONL1206030120603012557356752827138415315JSONL1207025120702512567304692985101412200/250JSONL1207030130703012567355632985121715315/400JSONL130804013080401367645753299179325400/500JSONL1308050130805013676559383299224230500/630综合多方面，选择了功率在12KW，电流大小在200A250A的JSONL1207025的磁芯。所以根据以上我们可以得出原
48、边匝数N1N1172（43）我们这里对N1取整数，所以N118。根据公式（42），我们可以得到副边匝数N2261。我们对副边匝数取整，得到副边匝数N227。我们假设变压器原边工作功率在10KW，所以原边电流，233A（44）副边电流，（45）我们假定流经副极线圈的电流密度J3AM，那么我们可以得到原副线圈的电流截面积时20M和13M。考虑到电流相互之间的干扰，我们可以多股绕制。其中导线线径L要保持在一定的范围之内。其中L246根据查表，我们知道4PIH/M，（铜导率）58/，我们设定开关频率F在20KHZ，所以得到，0434MM，20868。所以导线的线径L在0868范围之内。所以取原边线圈漆
49、包线内直径080MM，外直径09MM，导线截面积在055M，原边线圈漆包线数量377/3/055228,取整得到17。副边线圈漆包线内直径070MM，外直径08MM，导线截面积在045M，原边线圈漆包线数量233/3/045165,取整得到17。北京交通大学毕业设计（论文）目录2342开关管的选择（1）IGBT开关管选择开关管的关断一定要保证即使通过的电流电压很大，也可以保证关断，这也就要求了开关管的耐压值要比起额定电压要大，由41我们可以了解到流经原边电路的直流电压大小最大值是59388V，这也就要求了开关管的最低承受电压不得小于118776。我们取值稍大一点，这样就可以在特殊情况满足要求，我们取最小值不得低于1300V。其次，由41我们可以知道流经原副线圈的电流大小为233A和377A所以，设定IGBT管最小电流值不得低于180A。通过查找IGBT管的相关厂商，我们选择了西门康IGBT模块，型号为SKM300GAR123D/300A/1200V/2U作为移相全桥ZVS变换器的晶体管。它的最大电流通过考验达到300A，限制电压有1200V，符合我们对于IGBT管的要求。（2）副边整流二极管的选择选取副边二极管上要求二极管在电路工作工程中，可以承受最大的反向电压。我们可以由41计算出整流二极管的反向电压为265V153975V。在二极管工作时候，由于电压关断的不稳定，在电
