基于IGBT的直流充電機裝置設計

李小偉，王知學，王 勇

（1.山東省科學院 自動化研究所，山東 濟南 250014；2.山東省汽車電子技術重點實驗室 山東 濟南 250014）

隨著國家十二五電動汽車規劃的頒布，未來五到十年內，中國電動汽車將會得到快速的發展，但目前制約電動汽車發展的因素主要體現在諸如鋰電池等能源裝置價格以及充電裝置技術的完善上，電動汽車發展越迅速，對大功率充電設備的要求也越來越高。原有小功率充電裝置中主要采用了MOSFET等小功率器件，在大功率充電設備中，越來越需要高壓大功率IGBT器件來實現逆變電源部分，IGBT屬于全控型器件，載流能力大，可承受電壓高的優點集于一身，性能十分優越，使之成為現代電力電子技術的主導器件[1]，所以采用IGBT可減少原有小功率充電模塊并接實現大功率充電裝置的現狀，減少成本及設備占用體積。

1 工作原理

該系統主要為動力鋰電池充電設計的，直流充電機充電模塊由三相無源PFC和DC/DC兩個功率部分組成。在兩功率部分之外還有輔助電源以及輸入輸出檢測保護電路。

前級三相無源PFC電路由輸入EMI和無源PFC組成，用以實現交流輸入的整流濾波和輸入電流的校正，使輸入電路的功率因素大于0.92，以滿足DL/T781-2001中三相諧波標準和GB/T 17794.2.2-2003中相關EMI、EMC標準。后級的DC/DC電路由DC/DC變換器及其控制電路、整流濾波、輸出EMI等部分組成，用以實現將前級整流電壓轉換成符合電動汽車充電要求的穩定的直流電壓輸出。輔助電源在輸入無源PFC之后，DC/DC變換器之前，利用三相無源PFC的直流輸出，產生控制電路所需的各路電源。輸入檢測電路實現輸入過欠壓、缺相等檢測。DC/DC的檢測保護電路包括輸出電壓電流的檢測，散熱器溫度的檢測等，所有這些信號用以DC/DC的控制和保護。

2 系統構成

該充電裝置主要由主回路、控制回路、驅動電路及保護電路等部分組成，在輸入三相交流電后，系統經過整流、逆變和整流過程后輸出所需要的直流充電電壓，各部分的組成及工作原理如下。

2.1 主回路

主回路結構如圖1所示。

圖1 主回路結構圖Fig.1 Structure diagram of the main circuit

主回路中IGBT器件組成了DC/AC高頻逆變電路，IGBT它是MOSFET和BJT的復合，它把MOSFET的驅動功率小、開關速度快得優點和BJT的通態壓降小、載流能力大、可承受電壓高的優點集于一身，具有輸入阻抗高、開關頻率高、熱穩定性好、易觸發和能承受高壓強流等特點[2]，所以此地大功率充電模塊逆變環節設計采用了IGBT器件。該部分采用了移相全橋軟開關拓撲，移相全橋軟開關的實質就是利用諧振過程對并聯電容充放電，讓某一橋臂電壓快速升至電源電壓或者降至零值，使同一橋臂即將開通管的并接二極管導通，把該管兩端電壓鉗位在0 V，為ZVS創造條件[3]。

2.2 控制回路

控制回路采用基于UCC3895的移相全橋PWM變換器，UCC3895是TI公司生產的又一種高性能PWM移相型控制器。它是UC3879的改進型，除了具有UC38779的功能外，最大的改進是增加了自適應死區設置，以適應負載變化時不同的準諧振軟開關要求。新增加了PWM軟關斷能力。同時由于它采用了BCDMOS工藝，使得它的功耗更小，工作頻率更高，因而更加符合電力電子裝置高效率、高頻率、高可靠的發展要求[4]。如圖2所示為UCC3895連接圖。

圖2 UCC3895連接示意圖Fig.2 Structure diagram of the UCC3895 connection

2.3 驅動電路

柵極驅動電路有多種形式，以驅動電路與IGBT連接方式分為直接驅動、隔離驅動和集成化驅動[5]。本系統采用集成化驅動電路，目前市場上應用較多的主要是富士公司的EXB系列和三菱的M579系列集成驅動電路。

本系統驅動電路采用三菱公司的M57962L集成電路，因其驅動可靠，價格低廉，被廣泛地應用于N溝道IGBT驅動領域[6]。該驅動采用了雙電源結構，2500V高電壓高隔離光耦合器和過電流保護集成在內，驅動電路原理如圖3所示。

圖3 驅動電路示意圖Fig.3 Structure diagram of the drive circuit

2.4 保護電路

大功率直流充電裝置在使用過程中長期處于惡劣的工業現場中，如果沒有保護措施極易產生安全問題，對生命財產造成重大的損失，所以本系統需要設計保護完善的保護電路。保護電路主要包括信號調理及故障檢測電路，CPU系統。保護電路工作具體流程是：開始故障檢測電路檢測到過壓、過流或短路等故障信號，該信號通過信號調理電路輸入到CPU系統，CPU系統經過分析后，發送關斷信號發送到UCC3895，封鎖UCC3895脈沖信號輸出端口。同時CPU根據系統故障類型控制直流充電裝置的工作狀態，由LCD人機界面顯示故障停機狀態。故障信號檢測電路圖如圖4所示。

圖4 故障檢測電路圖Fig.4 Fault detection circuit diagrams

3 結 論

該直流充電裝置經過樣機硬件測試，實際應用表明該系統具有穩定可靠、運行安全等特點，達到了設計要求。

[1]王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].北京:機械工業出版社，2009.

[2]伍小杰，曹興.IGBT驅動保護電路研究[J].電力電子技術，2010，40（10）:13-17.WU Xiao-jie，CAO Xing.Research on drive and protection circuit for IGBT[J].Electric Drive，2010，40（10）:13-17.

[3]胡紅林，李春華，邵波.移相全橋零電壓PWM軟開關電路的研究[J].電力電子技術，2009，43（1）:12-14.HU Hong-lin，LI Chun-hua，SHAO Bo.Reseach on phaseshifted full-bridge ZVS converter[J].Power Electronics，2009，43（1）:12-14.

[4]張哲，沈虹，王曉寰.基于UCC3895的移相全橋變換器的設計[J].電源技術應用，2006，9（3）:17-20.ZHANG Zhe，SHEN Hong，WANG Xiao-huan.Power supply technologies and applications[J].2006，9（3）:17-20.

[5]劉力濤.IGBT驅動電路研究[J].電焊機，2011，41（6）:83-85.LIU Li-tao.Research on driving circuit in using IGBT[J].Electric Welding Machine，2011，41（6）:83-85.

[6]藍宏，胡廣艷.大電流高頻IGBT用M57962L驅動能力解決方案[J].電氣時代，2009（12）:138-140.LAN Hong，HU Guang-yan.Solutions of driving capacity by using M57962L in high current and high frequency IGBT drive[J].Electric Age，2009（12）:138-140.