- 頭條車載充電PWM軟開關DC-DC變換器研究綜述2018-06-19 作者：李紅梅、張恒果、崔超 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：1355導語合肥工業大學電氣與自動化工程學院的研究人員李紅梅、張恒果、崔超，在2017年第24期《電工技術學報》上撰文指出，作為車載充電機的關鍵部分，DC-DC變換器直接影響其運行效率，近年來，眾多學者圍繞PWM軟開關DC-DC變換器開展研究并已取得可供借鑒的研究成果，旨在實現DC-DC變換器在整個充電過程中的高效運行。 針對車載充電系統，首先指出DC-DC變換器設計要求，并分析傳統原邊移相控制全橋DC-DC變換器固有的不足，再從主電路拓撲、驅動方式和控制策略三個方面，詳述車載充電機中PWM軟開關DC-DC變換器研究進展。最后，剖析現有PWM軟開關DC-DC變換器技術方案的優勢與不足，并指出未來工作方向以實現DC-DC變換器系統效率全面提升。
電動汽車（Electric Vehicles, EV）利用動力電池組的儲能為電驅動系統提供能量，通常該電池組通過充電機接入工頻電網進行充電，其中車載充電機以其體積小、成本低及便捷性被廣泛使用[1-4]。由于單級車載充電機在輸入功率因數和輸出精度上不易同時滿足設計需求，因而只適用于鉛酸電池的充電[3,5-9]。
圖1所示為應用廣泛的車載充電機兩級功率架構。前級AC-DC變換器通常為升壓型變換器，實現功率因數校正和電能交直流轉換，后級的隔離DC-DC變換器級聯在前級AC-DC變換器輸出直流母線上，進一步進行能量轉換以滿足動力電池組充電要求[1,4,10,11]。
圖1 車載充電機兩級功率架構
全橋拓撲兼具較高的功率密度和功率傳輸能力，因而被廣泛采用為DC-DC變換器拓撲，且通?？刂谱儞Q器開關器件運行在軟開關狀態以降低開關損耗，實現DC-DC變換器的高效運行。
采用脈沖頻率調制的諧振變換器可實現變壓器一次側開關管的零電壓開關（Zero Voltage Switching, ZVS）及二次側整流器的零電流開關（Zero CurrentSwitching, ZCS），具有電能轉換效率較高的技術特點，尤其以LLC型諧振變換器性能突出[12-14]。
但是這類變換器中開關管電壓及電流應力較高，存在較大的環流損耗，且變頻控制方式使其分析建模困難，常用的基波分析法難以準確刻畫諧振變換器特性，使得其參數設計面臨較大的挑戰[15-18]。
另一類降低開關損耗的方法是采用PWM軟開關技術，尤以原邊移相（Primary-sidePhase Shifted, PPS）全橋（Full-Bridge, FB）DC-DC變換器應用廣泛[19-24]，它采用移相控制方式，利用電路自身參數進行諧振而實現軟開關，保持了PWM技術基于恒頻實現占空比可調的特點，因而廣泛使用在車載充電機等應用場合，但這類變換器輕載時難以實現ZVS，致使變換器輕載效率明顯降低。
由于車載充電機總體效率主要依賴于后級DC- DC變換器部分的運行效率，因此DC-DC變換器在整個充電過程中的高效運行成為車載充電機設計的關鍵，為此，論文重點綜述車載充電機中PWM軟開關DC-DC變換器的研究進展。
首先介紹電池組恒流-恒壓（Constant Current-ConstantVoltage, CC-CV）充電策略及傳統PPS-FB DC-DC變換器實現方案，給出車載充電DC-DC變換器的設計要求，再從主電路拓撲、驅動方式和控制策略三個方面歸納整理車載充電機后級DC-DC變換器的研究成果。經分析比較指出，目前車載充電高效PWM軟開關DC-DC變換器研究亟需解決的關鍵技術問題，為車載充電機后級DC-DC變換器的設計與控制提供借鑒和參考。
圖8 原邊移相控制與PWM控制相結合的多模式控制策略
分析與討論
綜合上述各種實現車載充電機DC-DC變換器高效運行方法的分析，論文對每種方法的技術特點與不足進行了總結，車載充電機中DC-DC變換器高效運行方案比較見表1。
基于優化主電路拓撲的方法可在一定程度上克服傳統PPS-FB DC-DC變換器存在的不足，獲得變換器效率的提升，但并不能提供較為全面的解決方案[34-40]。PWM-諧振混合型變換器雖然可以獲得滿意的運行效率，但仍需在拓撲方面開展深入研究以簡化電路，提高變壓器利用率[41-46]。
值得一提的是：電流驅動型整流器具有優良的特性，但考慮峰值電流限制的因素，只適合3.3kW功率等級以下的車載充電機[49-51]。對于更高功率等級車載充電機，可采用變換器模塊化設計措施以提高整體輸出能力，而單個變換器模塊仍采用電流驅動型整流器以獲得更高的轉換效率[80-82]。
除PPS控制方式，其他驅動方式的引入為變換器軟開關運行開啟了新的實現思路，其中SPS控制方式具備出色的控制性能。相比于后沿脈寬調制技術，SPS-FB DC-DC變換器可運行于CCM和DCM狀態，具有良好的輸出電壓增益特性[60,61]，尤其適用于車載充電機中；其次在SPS控制方式下，可利用變壓器勵磁電感擴展軟開關實現范圍[59-63]，省去輔助電路以提高功率密度；最后，與不對稱控制相同，SPS控制使變換器不存在一次側環流問題，利于減小變換器導通損耗，且變換器運行過程對稱，開關管以等占空比開通關斷，不存在不對稱控制中變壓器易飽和的問題。
對車載充電機而言，其電池負載荷電狀態、端電壓等表征電池狀態的參量在寬范圍內變化，因此DC-DC變換器運行狀態及效率表現出寬范圍的時變特性。為此，文獻[83]提出一種時間加權平均效率指標，以評價充電機在整個充電過程中的效率性能，并作為變換器優化設計的依據，但該指標要求設計者熟知電池充放電特性，以確定各加權系數；而且尚需兼顧考慮到不同的電池規格，給實際應用帶來了諸多不便。
此外，現有車載充電機DC-DC變換器參數設計大多依據常規的恒壓輸出應用場合的設計經驗，尚未建立起兼顧考慮電池組不同充電模式的變換器設計流程，仍需廣大科研工作者繼續開展深入研究。
通常，在合理選擇變換器拓撲、驅動方式并進行優化設計后，所設計DC-DC變換器可以在設計的工作點處獲得較高的運行效率，但不能保證其在整個CC-CV充電過程中的高效運行，為此，需進一步從系統集成設計與控制的角度出發，設計與之匹配的控制策略，以實現變換器在寬負載范圍內的高效運行。
將PPS與PWM控制相結合形成的多模式控制策略雖然可以在一定程度上提高傳統PPS-FB DC-DC變換器運行效率，但PWM控制下開關器件運行在硬開關狀態，變換器效率仍有較大提升空間。對于采用其他拓撲及驅動方式的DC-DC變換器，目前仍存在合理確定其工作模式組合等問題。
另外，直流母線電壓自適應控制可連續調節變換器工作狀態以實現最高效率點跟蹤，但鑒于前級升壓型變換器對其輸出電壓的要求，直流母線電壓無法無限制的降低，單一的直流母線電壓自適應控制方法的調節能力有限。因此，通過多自由度控制，如變換器直流母線電壓、開關頻率、復合移相控制等，實現變換器在寬范圍運行工況下的高效運行將成為車載充電機DC-DC變換器重要的研究方向[84-86]。
從上述分析討論可以看出，現有車載充電機DC-DC變換器方案均存在一定的不足，仍需綜合考慮主電路拓撲和驅動方式，在兼顧變換器功率密度等要求的同時，探索解決DC-DC變換器在寬電池負載范圍內的低環流、寬軟開關實現范圍的關鍵技術問題。
此外，迫切需要建立和完善DC-DC變換器在整個充電過程中的運行效率綜合評價指標，并根據變換器自身特點和負載特性開展優化設計研究，最后從系統集成優化設計與控制的角度，實現其在整個充電過程中的高效運行，最大程度地發揮DC-DC變換器的效能。
結論
電池組充電運行特征使車載充電機中DC-DC變換器運行狀態及效率在寬范圍內變化，給變換器設計帶來很大挑戰。本文圍繞DC-DC變換器運行效率問題，歸納總結了車載充電機中PWM軟開關DC-DC變換器的研究進展。
首先介紹了CC-CV充電策略對DC-DC變換器的設計要求，并揭示傳統PPS-FB DC-DC變換器方案存在的技術不足。在此基礎上，從主電路拓撲、驅動方式和控制策略三個方面對現有車載充電機DC-DC變換器技術方案予以分類總結，經分析討論指出每種技術方案的優勢與不足以及電流驅動型整流器與SPS控制方式的優越性。最后闡述當前研究工作在車載充電機DC-DC變換器效率評價與設計流程方面的不足，給出了變換器系統集成設計與控制的新思路。
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