车载充电机PWM软开关DC-DC变换器设计实现

针对车载充电系统，首先指出DC-DC变换器设计要求，并分析传统原边移相控制全桥DC-DC变换器固有的不足，再从主电路拓扑、驱动方式和控制策略三个方面，详述车载充电机中PWM软开关DC-DC变换器研究进展。最后，剖析现有PWM软开关DC-DC变换器技术方案的优势与不足，并指出未来工作方向以实现DC-DC变换器系统效率全面提升。

电动汽车（Electric Vehicles, EV）利用动力电池组的储能为电驱动系统提供能量，通常该电池组通过充电机接入工频电网进行充电，其中车载充电机以其体积小、成本低及便捷性被广泛使用。由于单级车载充电机在输入功率因数和输出精度上不易同时满足设计需求，因而只适用于铅酸电池的充电。

图1所示为应用广泛的车载充电机两级功率架构。前级AC-DC变换器通常为升压型变换器，实现功率因数校正和电能交直流转换，后级的隔离DC-DC变换器级联在前级AC-DC变换器输出直流母线上，进一步进行能量转换以满足动力电池组充电要求。

图1 车载充电机两级功率架构

全桥拓扑兼具较高的功率密度和功率传输能力，因而被广泛采用为DC-DC变换器拓扑，且通常控制变换器开关器件运行在软开关状态以降低开关损耗，实现DC-DC变换器的高效运行。

采用脉冲频率调制的谐振变换器可实现变压器一次侧开关管的零电压开关（Zero Voltage Switching, ZVS）及二次侧整流器的零电流开关（Zero CurrentSwitching, ZCS），具有电能转换效率较高的技术特点，尤其以LLC型谐振变换器性能突出。

但是这类变换器中开关管电压及电流应力较高，存在较大的环流损耗，且变频控制方式使其分析建模困难，常用的基波分析法难以准确刻画谐振变换器特性，使得其参数设计面临较大的挑战。

另一类降低开关损耗的方法是采用PWM软开关技术，尤以原边移相（Primary-sidePhase Shifted, PPS）全桥（Full-Bridge, FB）DC-DC变换器应用广泛，它采用移相控制方式，利用电路自身参数进行谐振而实现软开关，保持了PWM技术基于恒频实现占空比可调的特点，因而广泛使用在车载充电机等应用场合，但这类变换器轻载时难以实现ZVS，致使变换器轻载效率明显降低。

由于车载充电机总体效率主要依赖于后级DC- DC变换器部分的运行效率，因此DC-DC变换器在整个充电过程中的高效运行成为车载充电机设计的关键，为此，论文重点综述车载充电机中PWM软开关DC-DC变换器的研究进展。

首先介绍电池组恒流-恒压（Constant Current-ConstantVoltage, CC-CV）充电策略及传统PPS-FB DC-DC变换器实现方案，给出车载充电DC-DC变换器的设计要求，再从主电路拓扑、驱动方式和控制策略三个方面归纳整理车载充电机后级DC-DC变换器的研究成果。经分析比较指出，目前车载充电高效PWM软开关DC-DC变换器研究亟需解决的关键技术问题，为车载充电机后级DC-DC变换器的设计与控制提供借鉴和参考。

图8 原边移相控制与PWM控制相结合的多模式控制策略

分析与讨论

综合上述各种实现车载充电机DC-DC变换器高效运行方法的分析，论文对每种方法的技术特点与不足进行了总结，车载充电机中DC-DC变换器高效运行方案比较见表1。

基于优化主电路拓扑的方法可在一定程度上克服传统PPS-FB DC-DC变换器存在的不足，获得变换器效率的提升，但并不能提供较为全面的解决方案[34-40]。PWM-谐振混合型变换器虽然可以获得满意的运行效率，但仍需在拓扑方面开展深入研究以简化电路，提高变压器利用率。

值得一提的是：电流驱动型整流器具有优良的特性，但考虑峰值电流限制的因素，只适合3.3kW功率等级以下的车载充电机。对于更高功率等级车载充电机，可采用变换器模块化设计措施以提高整体输出能力，而单个变换器模块仍采用电流驱动型整流器以获得更高的转换效率。

除PPS控制方式，其他驱动方式的引入为变换器软开关运行开启了新的实现思路，其中SPS控制方式具备出色的控制性能。相比于后沿脉宽调制技术，SPS-FB DC-DC变换器可运行于CCM和DCM状态，具有良好的输出电压增益特性，尤其适用于车载充电机中；其次在SPS控制方式下，可利用变压器励磁电感扩展软开关实现范围，省去辅助电路以提高功率密度；最后，与不对称控制相同，SPS控制使变换器不存在一次侧环流问题，利于减小变换器导通损耗，且变换器运行过程对称，开关管以等占空比开通关断，不存在不对称控制中变压器易饱和的问题。

对车载充电机而言，其电池负载荷电状态、端电压等表征电池状态的参量在宽范围内变化，因此DC-DC变换器运行状态及效率表现出宽范围的时变特性。为此，文献提出一种时间加权平均效率指标，以评价充电机在整个充电过程中的效率性能，并作为变换器优化设计的依据，但该指标要求设计者熟知电池充放电特性，以确定各加权系数；而且尚需兼顾考虑到不同的电池规格，给实际应用带来了诸多不便。

此外，现有车载充电机DC-DC变换器参数设计大多依据常规的恒压输出应用场合的设计经验，尚未建立起兼顾考虑电池组不同充电模式的变换器设计流程，仍需广大科研工作者继续开展深入研究。

通常，在合理选择变换器拓扑、驱动方式并进行优化设计后，所设计DC-DC变换器可以在设计的工作点处获得较高的运行效率，但不能保证其在整个CC-CV充电过程中的高效运行，为此，需进一步从系统集成设计与控制的角度出发，设计与之匹配的控制策略，以实现变换器在宽负载范围内的高效运行。

将PPS与PWM控制相结合形成的多模式控制策略虽然可以在一定程度上提高传统PPS-FB DC-DC变换器运行效率，但PWM控制下开关器件运行在硬开关状态，变换器效率仍有较大提升空间。对于采用其他拓扑及驱动方式的DC-DC变换器，目前仍存在合理确定其工作模式组合等问题。

另外，直流母线电压自适应控制可连续调节变换器工作状态以实现最高效率点跟踪，但鉴于前级升压型变换器对其输出电压的要求，直流母线电压无法无限制的降低，单一的直流母线电压自适应控制方法的调节能力有限。因此，通过多自由度控制，如变换器直流母线电压、开关频率、复合移相控制等，实现变换器在宽范围运行工况下的高效运行将成为车载充电机DC-DC变换器重要的研究方向。

从上述分析讨论可以看出，现有车载充电机DC-DC变换器方案均存在一定的不足，仍需综合考虑主电路拓扑和驱动方式，在兼顾变换器功率密度等要求的同时，探索解决DC-DC变换器在宽电池负载范围内的低环流、宽软开关实现范围的关键技术问题。

此外，迫切需要建立和完善DC-DC变换器在整个充电过程中的运行效率综合评价指标，并根据变换器自身特点和负载特性开展优化设计研究，最后从系统集成优化设计与控制的角度，实现其在整个充电过程中的高效运行，最大程度地发挥DC-DC变换器的效能。

结论

电池组充电运行特征使车载充电机中DC-DC变换器运行状态及效率在宽范围内变化，给变换器设计带来很大挑战。本文围绕DC-DC变换器运行效率问题，归纳总结了车载充电机中PWM软开关DC-DC变换器的研究进展。

首先介绍了CC-CV充电策略对DC-DC变换器的设计要求，并揭示传统PPS-FB DC-DC变换器方案存在的技术不足。在此基础上，从主电路拓扑、驱动方式和控制策略三个方面对现有车载充电机DC-DC变换器技术方案予以分类总结，经分析讨论指出每种技术方案的优势与不足以及电流驱动型整流器与SPS控制方式的优越性。最后阐述当前研究工作在车载充电机DC-DC变换器效率评价与设计流程方面的不足，给出了变换器系统集成设计与控制的新思路。