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充电桩是各种电力电子设备的组合，直流充电桩通过AC-DC变换再DC-DC变换达到给汽车充电的目的
1、 Vienna整流器
二极管和晶闸管整流器在电力电子行业中得到广泛应用，但由于其功率因数 低并向电网注入了很高的电流谐波，所以对电网污染特别严重。随着电网企业对用户用电设备中电流谐波含量的严格限制，国内外学者相继提出了许多电流畸变低和单位功率因数高的三相PWM整流器 ，其中包括VIENNA整流器。
Vienna整流器是由Kolar教授1997年提出的一种两象限中点钳位式三电平 PWM整流器拓扑，Vienna 整流器的拓扑结构如下图11所示，它是由3个桥臂组成，其中每个桥臂包括1个可控功率开关器件 (IGBT)和6个功率二极管。
图1 Vienna整流器拓扑图
下面以A相桥臂为例来分析Vienna整流器的工作原理:当功率开关器件Qa 开通时,整流器的A相输入端电压被钳位于直流母线中点,此时输入端电压Ua=0， 如下图 22(a)、(b) 所示。当功率开关器件Qa关断时，整流器A相输入端电压为Udc/2或－Udc/2,此时A相输入端电压极性取决于A相输入电流极性。若A相输入电流极性为正，则A相输入端经 D1、Da1后与直流母线正极相连,如下图2 (c) 所示,此时输入端电压 UA = Udc/2,若A相输入电流极性为负时,A相输入端经D2、Da2后与直流母线负极相连,如下图2(d)所示,此时输入端电压 UA=－Udc/2。B、C相桥臂的分析与A相相同。
图2 电流流向示意图
按照图1的原理,用MATLAB软件构建并仿真PFC电路（如图3），以及矢量控制系统（如图4）。
图3 PFC仿真电路
图4 矢量控制系统
矢量控制采用电压外环，电流内环的双闭环控制策略。电压外环控制使直流母线电压保持基本稳定。图5中预设直流母线电压为700V,模型输出的直流母线电压值也基本稳定在700V左右。（如图15直流母线电压波形）
图5直流母线电压波形
图6 电网测电压与电流波形
从图6（a）可以发现: 网侧三相电压保持良好的正弦度，模型实际的电流波形和电压波形基本一致，证明模型实现了单位功率因数控制。图6（b）是作者调整了模型参数，让电网侧的电流波形产生了畸变，可以让读者直观的理解什么叫电流畸变（所有的整流电路都会污染电网）。经过计算电流总的谐波畸变率为13.47%，远大于国家标准的3%。
2、直流变压电路（斩波电路）
直流斩波电路是一种将电压恒定的直流电变成电压可调的直流电的一种电力电子设备，又叫直流斩波器或DC/DC变换器。光伏并网逆变器的MPPT电路就是这个原理。
用斩波器实现直流变换的基本原理是通过对电力电子开关器件的快速通、断控制，把恒定的直流电压或电流斩切成一系列的脉冲电压或电流，滤波后在负载上可以获得平均值与电源接近的电压或电流。再通过改变开关器件通、断的动作频率，或改变开关器件通、断的时间比例（占空比），就可以改变这一脉冲序列的脉冲宽度，以实现输出电压、电流平均值的调节。
目前有6中基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。其中升降压斩波电路是最常用的一种斩波电路。
升降压斩波电路如图7所示，电路由直流电压源、电感、电容、MOS、二极管、电阻（负载）组成，非常简单。基本原理为：MOS开关V处于通态时，电源U经V向电感L供电使其储存能量。同时，电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电,电感电流增大。V关断时，电感L中储存的能量向负载释放，负载电压上负下正，与电源电压极性相反，电感电流减小。
图7 升降压斩波电路原理图
用MATLAB仿真这个电路，如图8所示。该模型可以通过Pulse Generator元件调节占空比（升压或者降压）调节所需要的电压值。例如设置直流波形的电压值为500V,占空比设置为20%，则会得到大约60-120V的电压。如图9 a、b所示。图9a为脉动交流电，图9b为斩波后的直流电，电压为60-120V。
这里需要说明，很多厂家并不使用斩波电路作为DC-DC的调节，而是使用1个或者2个LLC变换电路串联作为电压调节的电路。这里介绍斩波电路是为了让读者明白基本的原理。
图8 升降压斩波电路模型
图9 斩波电路波形
3、 直流充电桩的技术要求
根据蓄电池组电压等级的范围，充电机输出电压分为三级：200V～500V、350V～700V、500～950V。单个充电插头的输出直流额定电流宜采用：50A、100A、125A、150A、200A、250A。
在恒压状态下输出电压误差不应超过±0.5%。在恒流状态下，输出直流电流设定在额定值的20%～100%范围内，在设定的输出直流电流大于等于30A时，输出电流整定误差不应超过±l%；在设定的输出直流电流小于30A时，输出电流误差不应超过±0.3A。
当交流电源电压在标称值±15%范围内变化，输出直流电流在额定值的0～100%范围内变化时，输出直流电压在规定的相应调节范围内任一数值上应保持稳定，充电机稳压精度不应超过±0.5%。
当交流电源电压在标称值的±15%范围内变化、输出直流电压在规定的相应调节范围内变化时，输出直流电流在额定值的20%～100%范围内任一数值上应保持稳定，充电机稳流精度不应超过±1%。
当交流电源电压在标称值±15%范围内变化，输出直流电流在额定值的0～100%范围内变化时，输出电压纹波在规定的相应调节范围内任一数值上应保持稳定，输出纹波有效值系数不应超过±0.5%，纹波峰值系数不应超过±1%。
充电机在恒流状态下运行时，当输出直流电压超过限压整定值时，应能自动限制其输出电压的增加，转换为恒压充电运行。充电机在恒压状态下运行时，当输出直流电流超过限流整定值时，应能立即进入限流状态，并自动限制其输出电流的增加。
由于该书目前处于出版阶段。版权受法律保护，严禁其他媒体进行转载。
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发表于 2024-8-5 14:17:55