双向OBC中整流/逆变双向变换器的研究设计

摘要

随着科技的发展，人类对能源的的需求量越来越大。化石能源逐渐枯竭、传统燃油车对环境的污染受到越来越多人的重视。电动汽车使用的电能可以通过可再生能源获得，于是受到全世界的广泛关注和推广。电动汽车车载充电机(On Board Charger，简称OBC)将电网交流电转化为直流电给电动汽车充电，其性能对于电动汽车和电网有着非常重要的影响。
　　OBC接入电网首先考虑的就是功率因数，高功率因数对于电能的高效利用和电网质量的改善具有重要意义，因此研究OBC功率因数校正技术十分必要。然而随着功能需求的增加，还要求OBC可以将电动汽车电池电能逆变为交流电提供给交流用电器使用，因此研究双向OBC具有很强的工程应用价值和实际市场前景。本文在广泛阅读了相关文献以及研究成果基础上，针对电动汽车双向OBC应用，研究其前级双向AC-DC电路。
　　本文对常见功率因数校正电路和逆变电路的拓扑及工作原理、控制方式等进行介绍和对比。研究双向OBC的电路前级——单相双向全桥变换器。电路拓扑为全桥结构，交流侧接差模电感，直流侧接输出滤波电容。正向充电工作时，电路拓扑等效为无桥PFC进行整流，实现功率因数校正;反向工作时，电路拓扑等效为单相电压型全桥逆变器，采用单极性倍频调制方式，将电动汽车电池的直流电逆变为交流电。
　　本文对单相双向全桥变换器正反向两种工作状态的工作原理进行深入的分析，对主电路的参数进行优化设计。通过精确电路建模，计算电路的传递函数。对比研究不同调制策略和控制方案，基于电路精确模型，设计控制环路补偿参数。
　　通过Simulink仿真，验证了电路参数设计和控制方案的合理性。最后根据设计的参数，制作了一台3.3kW的实验样机。样机采用英飞凌高性能控制器TC233实现全数字控制，电路具有结构简单、元器件少、适应性强、容易拓展等优点。实验测试了不同输入条件、不同负载的电路性能，实验数据进一步证明了电路方案的可行性。本文研究为电动汽车双向OBC的前级电路设计提供了解决方案。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 研究双向电动汽车充电机的意义

1．1．2 双向充电机国内外发展现状

1．2 整流与逆变拓扑概述

1．2．1 正向PFC结构

1．2．2 反向逆变结构

1．3 双向充电机的基本结构

1．4 研究内容介绍

第2章 正向PFC电路设计

2．1 功率因数校正的概念

2．2 无桥PFC电路结构

2．3 工作原理分析

2．4 主电路参数设计

2．4．1 开关频率选择

2．4．2 电感设计

2．4．3 电容设计

2．5 PFC系统建模

2．6 电路的控制补偿设计

2．6．1 电流内环补偿设计

2．6．2 电压外环补偿设计

2．7 仿真验证

2．8 本章小结

第3章 反向逆变电路设计

3．1 电路拓扑原理分析

3．2 逆变电路的调制方式

3．3 逆变电路的建模

3．4 逆变电路的主要参数设计

3．5 逆变电路的闭环控制

3．5．1 电压瞬时值内环设计

3．5．2 电压平均值外环设计

3．6 本章小结

第4章 硬件电路制作及数字控制

4．1 主要元器件参数确定及选型

4．1．1 功率器件的选型

4．1．2 PFC电感的设计

4．1．3 功率滤波电容的设计

4．2 电路损耗分析

4．3 采样调理电路

4．3．1 电流采样调理电路

4．3．2 交流电压检测电路

4．3．3 直流电压检测电路

4．4 驱动电路

4．5 英飞凌TC233数字控制电路

4．5．1 PI控制算法的数字实现

4．5．2 外设资源配置

4．5．3 PFC采样算法优化

4．6 PCB设计及样机制作

4．7 本章小结

第5章 双向全桥交换器的实验验证与分析

5．1 测试设备及连接

5．2 PFC测试结果

5．2．1 不控整流测试

5．2．2 稳态性能测试

5．3 逆交测试结果

5．3．1 死区时间测试

5．3．2 输出性能测试

5．4 保护功能测试

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

作者嫡硒