車載充電器(OBC)和輔助電源模塊(APM)是電動汽車中兩種主要的電力電子組件。OBC作為電網(wǎng)與高壓(HV)驅(qū)動電池之間的中介，它將高壓直流總線電壓降至低壓(LV)總線，以為非驅(qū)動負載供電并為低壓電池充電。APM則在電動汽車內(nèi)充當高壓與低壓系統(tǒng)之間的連接。本文提出了一種使用三端電流饋送三重有源橋(CFTAB)轉(zhuǎn)換器的方法，旨在通過電氣和磁性方式將OBC和APM結(jié)合，從而降低成本和減小體積。

　　由于采用電流饋送的設(shè)計，不需要大型輸出電容器，并且電流應(yīng)力顯著降低。研究中創(chuàng)建了一個聯(lián)合模型，適用于11-kW/250至450-V的OBC和3.5-kW/10至16-V的APM，以展示所提集成充電器的優(yōu)點。

　　所提設(shè)計

　　在電動汽車中，OBC和APM通常是獨立的組件。OBC的功率等級可以是11 kW或22 kW，而APM通常為2.5 kW或3.5 kW。盡管APM的功率等級較低，但其較低的輸出電壓導致電流應(yīng)力顯著增加。

　　將OBC和APM分開會導致體積增大和成本上升。如圖1頂部所示，兩個系統(tǒng)都具有主側(cè)橋、變壓器和直流鏈接電容器。為了降低成本和減小體積，將這兩個單元與三繞組變壓器結(jié)合是至關(guān)重要的，如圖1底部所示。

圖1

　　所提的電流饋送轉(zhuǎn)換器由三個獨立端口組成：主側(cè)、高壓側(cè)和低壓側(cè)。這些端口分別連接到功率因數(shù)校正(PFC)輸出、高壓電池和低壓電池。相應(yīng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。Ls1、Ls2和Ls3是變壓器的漏感抗。Lo1和Lo2是HV輸出濾波器中的負連接電感。Lo3和Lo4是用于LV輸出的互連電感。Chv和Clv是用于維持高直流電壓并減少變壓器兩個次側(cè)電流應(yīng)力的鉗位電容。

圖2

　　端口之間的相位移控制著功率流的管理。所提拓撲與現(xiàn)有拓撲相比提供了幾個優(yōu)點。首先，電流饋送端口使LV側(cè)電壓增加到更高的值，從而降低了變壓器的匝比，便于其構(gòu)建。

　　此外，工作周期提供了額外的控制選項，允許在整個功率范圍內(nèi)實現(xiàn)零電壓切換(ZVS)的可能性。通過高壓和低壓端口的低側(cè)開關(guān)流動的大部分電流為負，表明其電流應(yīng)力顯著低于電壓饋送轉(zhuǎn)換器。

　　在將CFTAB應(yīng)用于集成充電器時，必須計算幾個重要參數(shù)，包括直流鏈接電壓、變壓器匝比和鉗位電容電壓等。

　　為了集成3P/480-V電網(wǎng)電壓，直流鏈接電壓必須超過線間電壓的峰值。因此，為總線使用750 V DC的額定電壓。變壓器的匝比為主側(cè)、高壓側(cè)和低壓側(cè)的12:12:1。計算得出的變壓器高壓和低壓端電壓分別為750 V和60 V。

　　1.2-kV的SIC MOSFET用于主側(cè)和高壓側(cè)，100-V的Si MOSFET用于低壓側(cè)。為了限制電流饋送轉(zhuǎn)換器中的變壓器電流，通常使用電壓匹配控制。該控制方法相對簡單，但存在高環(huán)流和在輕載條件下ZVS喪失等問題。本研究的重點則是實現(xiàn)整個范圍內(nèi)的ZVS并減少無功功率。

　　隨后建立了一個控制系統(tǒng)，通過擴展工作周期來管理電壓不匹配。在這種情況下，工作周期不再用于提高電池電壓并與主側(cè)變壓器繞組中的電壓對齊，而是確保ZVS并減少無功功率。此外，高壓端口還包括擴展的工作周期。通常在電流饋送轉(zhuǎn)換器中，為實現(xiàn)ZVS，工作周期需保持在0.5以下。然而，這個工作周期并不適合集成充電器。

　　開發(fā)了一種自適應(yīng)優(yōu)化方法，以確定擴展電壓不匹配控制的適當操作模式，使用為變壓器電流和連接電感電流準備的模型。選擇的操作模式基于電池電壓而非功率水平進行分類。優(yōu)化方法優(yōu)先考慮了整個功率范圍的ZVS。隨后，工作周期根據(jù)電池電壓進一步調(diào)整，以最小化無功功率。

　　電流饋送轉(zhuǎn)換器通常不需要大型輸出電容器。然而，輸出電感器的存在至關(guān)重要。本研究利用負耦合電感器來減小輸出濾波器的尺寸。由于相位腿的交錯功能，連接電感有效消除了直流輸出電流，僅留下交流波動作為磁通變化的原因。在這種情況下，電感器核心的尺寸可能大大縮小。此外，由于交錯，輸出電流波動的水平也得以降低。

　　原型

　　基于上述分析和設(shè)計，構(gòu)建了一個原型以確認設(shè)計的準確性。充電器包括功率因數(shù)校正(PFC)階段和電流饋送三重有源橋(CFTAB)階段。

　　在最大容量下，充電器經(jīng)過嚴格測試，具有750-V DC總線電壓。它在高壓端提供350 V下的11 kW功率，在低壓端提供12 V下的3.5 kW功率。在高側(cè)開關(guān)中，電流用于為鉗位電容充電和放電。因此，這是一種流經(jīng)而不流入負載的循環(huán)電流。在低側(cè)開關(guān)的情況下，參數(shù)Ids主要代表負載電流，通常為負值。這種負載電流確保在關(guān)斷過程中以低電流實現(xiàn)ZVS。這一特性對低壓端尤其有利。

　　與傳統(tǒng)的電壓饋送轉(zhuǎn)換器相比，所提轉(zhuǎn)換器在兩側(cè)開關(guān)上并未出現(xiàn)過大的電流應(yīng)力。所提設(shè)計還表現(xiàn)出高功率密度。

　　原型采用緊湊且可適應(yīng)的設(shè)計，采用模塊化方法。超大尺寸的設(shè)備尺寸為46 × 22 × 7 cm，總體積為7升。其功率密度為2.05 kW/升。相比之下，先進的APM的功率密度通常為7升。所提轉(zhuǎn)換器可以在同一體積中同時為低壓電池提供3.5 kW和為高壓電池提供11 kW。

　　該轉(zhuǎn)換器具備多種能力，并在以下方面相較于先進技術(shù)展現(xiàn)出優(yōu)勢：

　　同時為高壓和低壓電池充電

　　全范圍ZVS操作

　　低側(cè)開關(guān)的最小關(guān)斷電流

　　高效經(jīng)濟的輸出濾波器設(shè)計

　　所提轉(zhuǎn)換器所提供的多項優(yōu)勢使其非常適合電動汽車應(yīng)用，從而顯著節(jié)省成本和空間。后續(xù)工作將涉及功率解耦和閉環(huán)控制的執(zhí)行。

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