南通大學(xué)電氣工程學(xué)院、南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院的研究人員秦嶺、孔笑笑等，在2015年第23期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，提出一種新型大型停車場(chǎng)電動(dòng)汽車充電設(shè)施——直流充電樁，以及適用于該設(shè)施后級(jí)裝置的低電應(yīng)力ZCS-PWM Superbuck變換器。

該變換器的輸入電流連續(xù)，因而前級(jí)有源電力濾波器（APF）的容量和設(shè)計(jì)難度得以大大降低。此外，該變換器可在整個(gè)輸入電壓和負(fù)載變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有功率管的零電流開(kāi)關(guān)；采用鉗位二極管，消除了所有功率管的電壓尖峰；與傳統(tǒng)的硬開(kāi)關(guān)Superbuck變換器相比，主開(kāi)關(guān)管具有相同的電流應(yīng)力。

首先詳細(xì)分析該變換器的工作機(jī)理，給出軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的條件和功率管電應(yīng)力；然后建立系統(tǒng)的CCM平均模型，得出穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性；最后以320V/50A·h的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池為負(fù)載，通過(guò)一臺(tái)1.8kW/80kHz樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：該直流充電樁具有低諧波污染、高效率、長(zhǎng)壽命、低成本以及易于批量建設(shè)等優(yōu)點(diǎn)。

隨著電動(dòng)汽車示范推廣力度的加大，充電設(shè)施將扮演日趨重要的角色[1]?，F(xiàn)有的充電設(shè)施主要有充電站、換電站以及交流充電樁等。充電站和換電站多采用1～2C大倍率充電，在短時(shí)間（小于1h）內(nèi)快速完成動(dòng)力電池的能量補(bǔ)給[2]，然而動(dòng)力電池嚴(yán)重發(fā)熱，大大縮短了循環(huán)壽命[3]。交流充電樁主要是為車載充電機(jī)提供交流接口，并通過(guò)有源電力濾波器（APF）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)校正[4]。

受體積、成本和重量的限制，車載充電機(jī)的功率普遍較小，只能慢充，因此交流充電樁的功率和體積也相應(yīng)較小，便于在大型停車場(chǎng)大量安裝。然而，交流充電樁需要和車載充電機(jī)配合使用，這就限制了其應(yīng)用。

直流充電樁是一種新型充電設(shè)施，其不需要電動(dòng)汽車配備充電機(jī)，只需要其提供直流接口，就可以直接對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電，從而提高了電動(dòng)汽車的可靠性，并降低了整車成本；采用夜間慢充方式，既能獲得夜間電價(jià)補(bǔ)貼，又不縮短電池壽命，從兩方面節(jié)約了電動(dòng)汽車的使用成本。因此，直流充電樁能夠?qū)﹄妱?dòng)汽車的快速推廣起到積極作用，在未來(lái)電動(dòng)汽車能源供給體系中將占有重要地位。

由于動(dòng)力電池容量大（幾十kW·h）、電壓高且變化范圍大（240~420V）[5，6]，為了降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制的難度，大型停車場(chǎng)用直流充電樁的主電路采用圖1所示的兩級(jí)式結(jié)構(gòu)。其中，前級(jí)通過(guò)三相不控整流電路得到約500V的直流電，并采用并聯(lián)型APF實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)校正；后級(jí)采用DC-DC降壓型變換器，以完成動(dòng)力電池的恒流、恒壓充電。需要注意的是，為了提高直流充電樁的整體壽命，三相不控整流電路的輸出端未采用電解電容濾波。

此外，由于實(shí)際應(yīng)用中直流充電樁往往成組建設(shè)，因此可以在停車場(chǎng)配電間的交流進(jìn)線側(cè)安裝中等容量的三相工頻變壓器進(jìn)行總電氣隔離，以提高人身安全性，如圖1所示。這樣，后級(jí)DC-DC降壓型變換器就可采用單管非隔離拓?fù)洌ㄈ?/span>Buck變換器），以降低直流充電樁的成本、體積和重量，并提高系統(tǒng)效率。

后級(jí)DC-DC降壓型變換器是直流充電樁實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池充電功能的基礎(chǔ)，其電磁干擾、效率、成本、體積和重量等性能對(duì)直流充電樁是否經(jīng)濟(jì)、可靠地工作至關(guān)重要[7]。與傳統(tǒng)的Buck變換器相比，Superbuck變換器具有相同的電壓增益，但其輸入、輸出電流均連續(xù)[8]，因而前級(jí)APF的設(shè)計(jì)容量得以降低，且電磁干擾大大減小，因此更適合用作直流充電樁的后級(jí)變換器。

直流充電樁后級(jí)變換器的輸入電壓高達(dá)500V左右，因此更加適合采用IGBTs作為開(kāi)關(guān)管。為了實(shí)現(xiàn)直流充電樁的小型化和輕型化，需要提高開(kāi)關(guān)頻率，然而IGBTs關(guān)斷時(shí)的電流拖尾所導(dǎo)致的關(guān)斷損耗也隨之急劇增加。解決上述問(wèn)題的有效辦法是實(shí)現(xiàn)IGBTs的零電流開(kāi)關(guān)。近幾年，各國(guó)學(xué)者陸續(xù)提出了多種ZCS-PWM技術(shù)方案[9-21]。

文獻(xiàn)[9-14]利用輔助諧振電路實(shí)現(xiàn)了主開(kāi)關(guān)管的零電流開(kāi)關(guān)，減小了開(kāi)關(guān)損耗。但主開(kāi)關(guān)管電流為硬開(kāi)關(guān)電流疊加諧振電流，因此電流應(yīng)力和通態(tài)損耗很大。文獻(xiàn)[15-19]使諧振電流只流過(guò)輔助回路，有效解決了主開(kāi)關(guān)管電流應(yīng)力大的問(wèn)題。

但新的問(wèn)題隨之而來(lái)，如：續(xù)流回路中存在多個(gè)二極管，增大了變換器的通態(tài)損耗[15-16]；采用了多個(gè)諧振電感或耦合電感，增大了鐵耗和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性[17-19]。

上述缺陷在文獻(xiàn)[20]提出的ZCS-PWM方案中得以解決。然而，該方案中輔助二極管關(guān)斷時(shí)等效結(jié)電容和線路中的電感（包括諧振電感和線路分布電感）產(chǎn)生了高頻諧振，使得所有功率管都出現(xiàn)較大的電壓尖峰。這一現(xiàn)象在方案[9, 19]中也同樣可以觀察到。

過(guò)高的電壓尖峰導(dǎo)致電路中所有功率管的電壓定額被迫抬高了1倍，飽和壓降、通態(tài)損耗和成本都因此增加。因此，必須采取相應(yīng)措施對(duì)電壓尖峰予以抑制。在功率管兩端并聯(lián)RC或RCD吸收電路，可有效抑制關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰，但嚴(yán)重影響了系統(tǒng)效率。采用有源鉗位電路可緩解上述電壓尖峰問(wèn)題，但無(wú)疑會(huì)導(dǎo)致主電路拓?fù)?、控制及?qū)動(dòng)復(fù)雜化[21]。

文獻(xiàn)[11，14，15]指出，采用無(wú)源鉗位技術(shù)是消除ZCS-PWM DC-DC變換器中功率管電壓尖峰的最為經(jīng)濟(jì)、有效地方法。

基于和文獻(xiàn)[15，20]相似的方案，本文提出了一種新型ZCS-PWM Superbuck變換器，其能夠在工作電壓和負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有開(kāi)關(guān)管的零電流開(kāi)關(guān)，且主開(kāi)關(guān)管的電流應(yīng)力降到最低；在IGBT的發(fā)射極和儲(chǔ)能電容的一端連接鉗位二極管，消除了所有功率管的電壓尖峰，電壓應(yīng)力也達(dá)到最低。由于該變換器具有效率高、電應(yīng)力低、電磁干擾小、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及體積重量小等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用作直流充電樁的后級(jí)變換器。

首先詳細(xì)分析了該變換器的工作機(jī)理，給出了軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的條件和功率管電應(yīng)力；然后建立了系統(tǒng)的CCM平均模型，得出穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性；最后以320V/50A·h的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池為負(fù)載，通過(guò)一臺(tái)1.8kW/80kHz樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種充電裝置的可行性。

圖1 大型停車場(chǎng)直流充電樁的主電路結(jié)構(gòu)

結(jié)論

本文提出了一種新型的大型停車場(chǎng)電動(dòng)汽車充電設(shè)施——直流充電樁，以及適用于該設(shè)施后級(jí)裝置的低電應(yīng)力ZCS-PWM Superbuck變換器。分析了該變換器的工作原理和特性，最后以320V/50A·h的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池為負(fù)載，通過(guò)一臺(tái)1.8kW/80kHz樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該充電裝置的可行性。研究結(jié)果表明：

1)直流充電樁可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的恒流、恒壓兩階段慢充功能。

2)相同工作條件下，直流充電樁后級(jí)變換器采用Superbuck變換器，其網(wǎng)側(cè)電流的THD約為采用Buck變換器時(shí)的1/3，從而可有效降低APF的設(shè)計(jì)容量。

3)低電應(yīng)力ZCS-PWM Superbuck變換器可在整個(gè)輸入電壓和負(fù)載變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有功率管的零電流開(kāi)關(guān)。與硬開(kāi)關(guān)相比，系統(tǒng)效率大大提高。

4)采用鉗位二極管有效消除了所有功率管的電壓尖峰，且諧振電流只流過(guò)輔助回路，主開(kāi)關(guān)管的電流應(yīng)力達(dá)到最低。與文獻(xiàn)[9]相比，本文提出的方案中電壓、電流應(yīng)力均得到明顯降低。因此，可采用較低電壓及電流定額的功率器件，以提高系統(tǒng)效率，并降低成本。