电动汽车车载充电器Boost PFC AC/DC变换器设计

　　随着能源危机、资源枯竭以及大气污染等危害的加剧，我国已将新能源汽车确立为战略性新兴产业，车载充电器作为电动汽车的重要组成部分，其研究兼具理论研究价值和重要的工程应用价值。采用前级AC/DC和后级DC/DC相结合的车载充电器结构框图如图1所示。

　　当车载充电器接入电网时，会产生一定的谐波，污染电网，同时影响用电设备的工作稳定性。为了限制谐波量，国际电工委员会制定了用电设备谐波限制标准IEC61000-3-2，我国也发布了国标GB/T17625.为了符合上述标准，车载充电器必须进行功率因数校正(PFC)。PFC AC/DC变换器一方面为后级DC/DC系统供电，另一方面为辅助电源供电，其设计的好坏直接影响车载充电器性能。

　　图1电动汽车车载充电器结构框图

　　鉴于纯电动汽车车载充电器对体积、谐波有着苛刻的要求，本设计采用有源功率因数校正(APFC)技术。APFC有多种拓扑结构，由于升压式拓扑具有驱动电路简单、PF值高和具有专门控制芯片的优点，选取Boost拓扑结构的主电路。考虑各种基本控制方式，选取了具有谐波失真小、对噪声不敏感和开关频率固定技术优势的平均电流控制方式。

　　本文针对功率为2 kW的纯电动汽车车载充电器，考虑谐波含量、体积及抗干扰性能等方面的设计需求，重点研究PFC AC/DC变换器，包含系统主电路和控制电路设计，并在上述研究的基础上，开展系统仿真和实验测试验证研究，电路图见图2.

　　图2 Boost PFC AC/DC变换器电路原理图

　　1 Boost PFC AC/DC变换器

　　本文针对功率为2 kW的车载充电器PFC AC/DC变换器，采用基于Boost拓扑的主电路结构，以及连续模式下的平均电流控制控制策略。主电路由整流电路和Boost升压电路构成;控制电路采用电流内环、电压外环的双闭环控制方式，原理框图见图3.

　　图3主电路和控制电路原理框图

　　2 PFC AC/DC变换器主电路设计

　　PFC AC/DC变换器主电路由输出滤波电容、开关器件、升压电感等器件构成，其参数设计如下。

　　2.1输出滤波电容

　　输出滤波电容可滤除由开关动作造成的输出电压纹波，同时能够维持输出电压在一定范围内，选取的器件需较好地实现以上两个功能。

　　2.1.1考虑输出纹波电压

　　式中：Co为输出滤波电容，Pout为主电路输出功率，fin为电网输入电压频率，△Vout为主电路输出纹波电压峰峰值，Vout为主电路输出电压。

　　2.1.2考虑电压维持时间

　　式中：△t为主电路输出电压由Vout降到Vout(min)的时间。

　　据计算结果，选取3个220μF/400 V、1个330μF/400 V电解电容并联。

　　2.2开关器件

　　功率管开关器件的选择主要考虑以下参数：耐压值、通态电流值以及功率管开关频率。在高开关频率场合，常选取MOS管，但单个MOS管通态电流较小，为了增加通流能力，本系统选用两个MOS管并联。选取器件时，流过MOS管电流取2倍裕量，MOS管两端电压取1.2倍裕量。为了增加通流能力，选取两只IPA60R165CP(650 V，21 A)并联。

　　2.3升压电感

　　升压电感的设计思路为：首先计算电感量，然后选择合适的磁芯材料，最后结合磁路饱和对电感量的影响，选取合适的电感量及材料。

　　电感量的计算公式为：

　　式中：Vin为主电路输入电压，f为开关频率，Lmin为电感量最小值，△Ilmax为电感电流纹波最大值。升压电感最小取值随之确定，为108μH.