基于碳化硅的車載集成PFC電路分析

于 亮

（1.中國科學院上海微系統與信息技術研究所，上海200050；2.上海科技大學信息科學與技術學院，上海201210；3.中國科學院大學北京100049）

隨著能源問題以及環境問題的日益嚴重，以電能為主要動力來源的電動汽車得到了廣泛關注。電動汽車通過電動機將電能轉換為動能[1]。因此儲能系統及動力系統是電動汽車的重要環節。目前常見電動汽車電池的充電器有兩種：非車載充電器和車載充電器。非車載充電器功率等級高，適合于快速充電。其缺點是必須在固定的地點充電，因此不方便。車載充電器功率等級較低，適用于慢速充電。車載充電器的優點在于方便，在任何有電網的地點都可使用。其缺點在于增加了汽車的體積和重量。因此，小體積，輕質量的車載充電器是電動汽車的必然選擇[2]。

集成車載充電器是利用電動汽車的牽引系統作為充電系統的一部分，從而實現充電器的小體積、重量輕的特點[3]。同時，由于減少使用了器件，成本也會隨著降低。集成車載充電器的設計也得到了國內外學者的廣泛關注。集成車載充電器通常是利用電機的繞組作為電感，同時復用電機驅動系統中的半導體器件來實現將交流電轉化為直流電供給電池充電的功能[4-6]。驅動系統中半導體器的復用率高及電機繞組不需重新安排會提高集成車載充電器的可行性[7-9]。文中提出并驗證了一個新型的高性能的車載集成充電器拓撲結構。該電路能夠實現功率因數校正及調節輸出電壓的功能。

1 車載集成充電器電路拓撲

1.1 傳統車載充電器

傳統的車載充電器及驅動系統框圖如圖1所示[10]。充電時，首先電網電壓通過PFC電路，將交流電轉化為直流電，然后再經過DC/DC變換器供給電池包充電。對于驅動系統而言，電池電壓經過DC/DC變換器轉化為高壓，然后再經過逆變器來驅動電機轉動。充電系統與驅動系統完全分離。整個系統需要的半導體器件及被動元件較多，導致這個系統體積大、質量重、花費高，不利于電動汽車的快速發展[11-13]。

圖1 傳統的車載充電器及驅動系統框圖

1.2 車載集成充電器

車載集成充電器及驅動系統如圖2所示。充電時，電網交流電壓通過整流橋變為直流電壓。然后通過復用電機繞組及逆變器實現功率因數校正功能。最后通過DC/DC變換器將電壓調整到充電電壓供給電池使用。驅動電機時充電過程將不會發生。因此，這種復用機制不會影響到電機驅動系統。通過復用驅動系統原件，充電過程將不再需要額外的器件搭建PFC變換器和DC/DC變換器，從而，減少了半導體器件及被動元件的使用，能夠減小系統的體積，重量及花銷。

圖2 車載集成充電器及驅動系統框圖

1.3 新型的車載集成圖騰柱PFC變換器

圖3（a）展示了電路處于驅動工作狀態下的電路圖。在驅動模態，通過電機及逆變器的工作實現電動汽車的拖動功能。圖3（b）展示了電路處于充電工作狀態下的電路圖。此時，電機將不會轉動。電機的3個繞組及逆變器的兩個橋臂都被復用到充電系統中。只需額外添加一個二極管半橋就可實現充電器的功能。該電路結構與帶有交錯并聯的圖騰柱PFC電路相似，因此稱之為車載集成圖騰柱PFC變換器。傳統的圖騰柱PFC電路具有器件少，功率密度高，效率高的優點[14-16]。但傳統的圖騰柱PFC存在作為同步整流功能的MOSFET的體二極管的反向恢復問題[17]。為了解決這個問題，該文用新型SiC MOSFET。SiC器件能夠有效的降低體二極管方向恢復電流。從而減小反向恢復損耗。同時，SiC MOSFET具有開關速度快，導通電阻小的優點[18]。因此，SiC器件的使用會提高充電系統和驅動系統的性能。

新型集成充電拓撲結構如圖3（b）所示。

圖3 工作模態

由于電路結構非常對稱，輸入電壓為正值或是負值電路的工作模態基本相似。該電路的控制信號也非常簡單。每個半橋的兩個開關管互補導通，同時帶有很小的死區時間來防止整個橋臂的潰通。文中只對輸入電壓為正半周期時進行模態分析，輸入電壓為負半周期時只需調換開關器件的序號即可。當輸入電壓為正時，該電路有4種工作模態如圖4所示。當脈寬調制信號（PWM）的占空比小于0.5時，電路工作的模態順序為（a）-（c）-（b）-（c）-（a）。當PWM的占空比大于0.5時，電路工作模態順序為（a）-（d）-（b）-（d）-（a）。每個模態的詳細介紹如下：

模態（a）:S3和S6導通，S4和S5關斷。此時ib線性增大，繞組Lb存儲的能量將會增加。ic線性減小，繞組Lc存儲的能量轉移到輸出端。

模態（b）:S4和S5導通，S3和S6關斷。此時電網將能量儲存到繞組Lc中，ic線性增大。繞組Lb向輸出端提供能量，ib線性減小。

模態（c）:此模態只存在于PWM的占空比小于0.5時。該模態處于（I）和（II）之間。S4和S6同時導通，S3和S5處于關斷狀態。此時ic和ib都線性減小。

模態（d）:此模態只存在于PWM的占空比大于0.5時。該模態處于（I）和（II）之間。S3和S5同時導通，S4和S6處于關斷狀態。此時ic和ib都線性增大。

該電路為交錯并聯的圖騰柱結構，能夠有效降低輸入電流的紋波和總諧波失真（THD）。因此，該電路能夠實現高功率矯正功能。

圖4 電路工作模態

2 仿真分析

為了驗證方案的可行性，特利用MATLAT Simulink搭建了仿真電路，并進行了輸入電流和輸出電壓雙閉環仿真分析。閉環控制框圖如圖5所示。內環為電流環，外環為電壓環。一個PLL模塊被使用去產生輸入電壓參考信號。兩個簡單的PI控制器被使用來實現好的動態性能。部分參數如下：輸入交流有效值vin=220 V，輸出電壓為Vo=450 V，開關頻率為f=50 kHz，輸出電容C=1 000 μF，電阻負載R=200 Ω，輸出功率Po=1 kW。仿真測得功率因數PF=0.98，THD=0.3。仿真波形如圖6所示。從圖中可以看出，輸入電壓與輸入電流同相位。輸入電流波形非常平滑，說明該電路具有很好的功率因數校正功能。同時，由于電壓環的作用，該電路具有一定的調節輸出電壓能力。因此，該電路非常適用于電池充電系統。

圖5 閉環控制框圖

圖6 仿真波形

3 實驗分析

為了驗證電路的性能，一個功率等級縮減的PCB電路板被設計并進行了驗證實驗。實驗參數如表1所示。實驗波形如圖7所示。從圖中可以看出，輸入電流波形很好的跟隨輸入電壓波形，實驗測得功率因數為0.98。

表1 實驗參數

圖7 實驗測得輸入電壓和輸入電流波形

4 結論

文中提出了一個新型的基于SiC的車載集成充電器電路拓撲結構。并對電路的工作模態進行了詳細的介紹。該電路對電動車的驅動系統復用程度高，只需額外添加一個二極管半橋即可實現功率因數矯正功能。最后通過MATLAB仿真及實驗驗證了該電路的可行性。該新型電路圖譜結構能夠實現很好的功率因數矯正功能。