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用于变电站备用电源的2.2千瓦SiC（碳化硅）基高频电池充电器
IEEE会员Abhijit Choudhury
电网实验中心（EPGC）
Pesek路第3号，新加坡627590
科学技术与研究机构（A * STAR）
电子邮件：choudhurya@epgc.a-star.edu.sg
摘要
本文提出了一个2.2千瓦两级高频交流 - 直流转换器，用镍镉（NiCd）电池为变电站电池充电。通过对转换器参数，分析和模拟研究进行了详细的分析计算，以证明所提出的系统的性能的正确性。由于变电站转换器需要自然冷却以去除冷却风扇等附加机械部件，因此本项目使用SiC（碳化硅）开关。与Si基的开关相比，这些开关具有更高的热限制，并且能在高频率下的开关保持相当低的损耗。它也有助于提高AC-DC转换器的整体效率。 开发控制策略以在恒定电流（CC）和恒定电压（CV）模式下操作电池充电器。给出了该系统的详细参数列表。
关键词：电池充电器，AC-DC转换器，SiC开关。
1、引言
高频（HF）电源转换器目前在直接插入式或无触点式电力传输策略的电动汽车（EV）电池充电方面有很多应用。这种策略的主要优点是高效率（gt; 95％），减小尺寸和高动态响应。由于所有这些优点，基于HF的AC-DC转换器也可用于变电站电池充电。目前变电站的电池充电采用传统的半控型晶闸管整流器。尽管这种类型的拓扑已经很成熟，但效率很低（lt;70％）。此外，没有任何输入功率因数校正阶段，使线路电流％THD相当高。所以在电动汽车充电器应用中发布了许多基于HF的AC-DC转换器的研究成果。
为了减少早期的开关损耗，转换器（谐振转换器）的开关频率非常高，这又导致高的器件应力以及选择滤波器元件是困难的。为了解决这个问题，在文献[1]中提出了一种全桥式DC-DC变换器，该变换器使用变压器漏电感来实现零电压开关（ZVS），以实现更宽范围的负载变化。
文献[2]提出了一种4.0 kW的非接触式电力传输策略。它在二次侧采用全桥调频电源和全桥二极管桥式整流器对HEV电池进行充电。有限元软件用于对代表高频变压器的电感线圈进行建模。这种类型拓扑的总系统效率高度依赖于主线圈和次线圈之间的距离。
减小AC-DC转换器尺寸的主要瓶颈是其自身的DC-Link电容器的尺寸。滤波器元件的磁性和尺寸可以减小，因为它们取决于开关频率; 然而，DC-Link电容器的尺寸取决于双线频率。它使系统体积更大。如果这种纹波电流可以提供给电池，而且电池性能和使用寿命不会降低，那么笨重的DC-Link可以被移除。基于这个概念，在[3]中提出了一个控制阶段，它被称为正弦充电。它使用两个阶段，一个全桥AC-DC和一个双DC-DC阶段。进行了详细的模拟和实验研究以显示所提出的策略的有效性。
文献[4]提出了一种二次侧软开关相移DC-DC变换器。它使用辅助侧的附加开关和变压器漏电感来实现从空载到满载的更宽范围的软开关。此外，它减少了转换器两侧的环流。进行详细的模拟和实验验证研究，以显示所提出的系统的有效性。
文献[5]详细分析了DC-DC高频段的不同工作模式。该策略旨在通过降低次级侧二极管的反向恢复损耗，提高系统效率并降低系统成本和尺寸，降低总逆变器损耗。详细的系统参数也基于分析研究进行计算。为了改善电源侧的电源质量并减小DC-Link电容器的尺寸，文献[6]提出了一种交错式AC-DC级。它基本上是ref的扩展。[5]与输入阶段。交错转换器减少了电容需要提供的电流纹波，最终降低了电容RMS电流。
文献[7]提出了基于零电压开关（ZVS）的全桥变换器。所提出的策略使用两个高频变压器，这消除了ZVS所需的附加漏电感的要求。它也不需要任何输出电感器，因为当一个变压器将能量传输到次级侧时，另一个变压器同时用作磁通存储器。
所有传统的HF全桥拓扑结构在二次侧采用二极管桥式整流器，并配有缓冲电路，以减小过电压尖峰[8]。然而，在高频率和高电压应用（通常超过200V）下，这个峰值的幅度非常高，这导致二极管的额定值过高。超过额定值的二极管和电压波动会增加系统损耗，从而大大降低系统效率。为了减少二极管过电压，在[8]中提出了一种新颖的DC-DC转换器结构，其具有额外的电感器和电容器。提供详细的仿真和实验结果，以显示nronosed控制系统的有效性。
基于宽带隙器件的DC-DC转换器见[9]，[10]。这些器件基本上用于降低二极管的开关损耗和反向恢复损耗。详细的损失计算研究也进行了。
从所有参考文献中可以清楚地看到，主要研究的重点是电动汽车电池充电，而变电站备用电源并不是很重要，这是一个关键的应用。本文提出了不同的方案，交错式AC-DC变换器级联全桥高频DC-DC变换器。交错式AC-DC级将为UPF操作提供降低的电容纹波电流。
2、工作原理
图1，2展示出了用于交织的AC-DC转换器的控制和全桥高频DC-DC转换器控制的控制电路图。图3显示了备用电池充电方案的完整电源电路图。在这里，功率二极管D1minus;D4将单相交流电整流为脉动直流电压。然后使用交错式升压转换器拓扑结构将输入电压升高到高频DC-DC转换器所需的380.0VDC。Lc1和Lc2是两个交错电感器，C是直流链电容器。D5,D6是升压阶段的二极管。由于交错级，电感提供的纹波电流将减小，这将有助于降低DC-Link电容的RMS纹波电流。
T3minus;T5 展示全桥逆变器的电源开关。Cdecap和Lleakage是保护高频变压器不受直流饱和和高频变压器漏感影响的去耦电容。变压器的次级侧连接一个全桥二极管整流器和一个LC滤波器，以滤除高频开关纹波。为了减少开关损耗，快速恢复二极管用于变压器的次级侧。
A.交错式AC-DC转换器控制
如图1所示，单相电压被感测并通过模块，在单相整流器的输出端产生双倍频率的电压。然后它与PI控制器的输出相乘，产生参考电感电流的所需值。由于有两个并联的电感，所以它会乘以0.5，为每个电感产生所需的参考电流。PI控制器的输入来自参考DC-Link电压和检测到的DC-Link电压之间的差异。两个参考电感电流(Ilc1minus;ref, Ilc2minus;ref) 然后与实际电流进行比较 (Ilc1,llc2)并通过一个PI模块产生电源开关的参考值。两个载波信号被移相180°，以补偿通过DC-Link电容器的总纹波电流。
图1.交错升压转换器控制的示意图。
B.全桥逆变器控制
如图2所示，为了控制电池电压，检测端电压(VBot) 并与参考电池电压进行比较 (VBatminus;ref)。基本上有两种操作模式：恒定电流（CC）和恒定电压（CV）[6]模式。在电池完全放电或部分放电低于一定电平并开启系统时，充电器以CC模式运行。在这种模式下，由于参考电池电压和实际电压之间的差异很大，电压PI的输出饱和到参考电流限制。电流限制的最大值取决于电池化学成分。对于NiCd型电池，一般为0.2C。此参考电流(ILfminus;ref) 然后与实际的滤波电感电流进行比较 (ILf) 并再次通过PI控制器。
图2.全桥逆变器控制的示意图。
该PI控制器的输出产生所需的相位差(phi;)在两个载波信号之间，需要与占空比进行比较。稍后将生成全桥转换器的获取脉冲。
由于很难产生两个精确对称的正向和负向电压施加到高频变压器，变压器中总会存在磁通不平衡。正负磁通电平的这种差别会产生直流磁通，直流磁通随时间线性增加并使变压器饱和。为了克服这个问题，去耦电容器（Cdecp）与变压器的初级端串联。
图3.变电站电池充电的电路图配置。
C.无源元件的设计
精确的选择所有的无源组件对于保持系统空间最佳是非常重要的。表I显示了转换器的所需规格。
表I：充电器规格
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