车载充电器Boost PFC AC/DC变换器设计
随着能源危机、资源枯竭以及大气污染等危害的加剧，我国已将新能源汽车确立为战略性新兴产业，车载充电器作为电动汽车的重要组成部分，其研究兼具理论研究价值和重要的工程应用价值。采用前级 AC/DC 和后级 DC/DC 相结合的车载充电器结构框图如图1 所示。
当车载充电器接入电网时，会产生一定的谐波，污染电网，同时影响用电设备的工作稳定性。为了限制谐波量，国际电工委员会制定了用电设备谐波限制标准 IEC61000-3-2，我国也发布了国标GB/T17625。为了符合上述标准，车载充电器必须进行功率因数校正（PFC）。 PFC AC/DC 变换器一方面为后级 DC/DC 系统供电，另一方面为辅助电源供电，其设计的好坏直接影响车载充电器性能。
图1 电动汽车车载充电器结构框图
鉴于纯电动汽车车载充电器对体积、谐波有着苛刻的要求，本设计采用有源功率因数校正（APFC） 技术。APFC 有多种拓扑结构，由于升压式拓扑具有驱动电路简单、PF 值高和具有专门控制芯片的优点，选取Boost拓扑结构的主电路。考虑各种基本控制方式，选取了具有谐波失真小、对噪声不敏感和开关频率固定技术优势的平均电流控制方式。
本文针对功率为2 kW 的纯电动汽车车载充电器，考虑谐波含量、体积及抗干扰性能等方面的设计需求，重点研究 PFC AC/DC 变换器，包含系统主电路和控制电路设计，并在上述研究的基础上，开展系统仿真和实验测试验证研究，电路图见图2。
图2 Boost PFC AC/DC 变换器电路原理图
1 Boost PFC AC/DC 变换器
本文针对功率为2 kW 的车载充电器PFC AC/DC 变换器，采用基于 Boost拓扑 的主电路结构，以及连续模式下的平均电流控制控制策略。主电路由整流电路和Boost升压电路构成；控制电路采用电流内环、电压外环的双闭环控制方式，原理框图见图3 。
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｉｇｈ－Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＡＣ／ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｏｆ Ｌａｍｐ－Ｂ０ｘ
张朝阳 Ｚｈａｎｇ Ｃｈａｏｙａｎｇ （吉林师范大学信息技术学院，吉林四平１ ３６０００） （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉ１ｉｎ Ｎｏｒｍａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｈｎ ｓｉｐｉｎｇ １３６０００） 摘要：针对现有灯箱组合使用一般的日光灯镇流器的弊端，本文开发研制出一种高频ＡＣ／ＤＣ变换器．其具有ＥＭＩ干扰 小、功率因数高等优点。 关键词：镇流器：ＥＭＩ干扰：功率因数 中图分类号：ＴＭ４ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１ ６７１—４７９２一（２００７）ｌ１—００８０—０２ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｅ ｖｉｅｗ ｏｆ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒａｗｂａｃｋ ｏｆ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ａｎｄ ｍａｋｉｎｇ ｕｓｅ ｏｆ ｃｏｍｍｏｎ ｂａｌｌａｓｔ ｏｆ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ ｌａｍｐ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ］ａｍｐ－ｂｏｘ，ａ ｈｉｇｈ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＡＣ／％ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ。ｈａｖｉｎｇ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｌｉｔｔ］ｅ酬Ｉ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ，ｉＳ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ． Ｋｅｖｗｏｒｄｓ：ＢａＨａｓｔ；ＥＭＩ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅ；Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ ０引言 随着我国节能工程的实施，对电子设备的刖Ｉ和节能要 求越来越高。现有的灯箱广告牌尚无专用控制设备，只是组 合使用一般的目光灯镇流器，目光灯长期在户外工作，故障 频繁。因此设计出一种ＥＭＩ干扰小、功率因数高的高频ＡＣ／ Ｄｃ变换器是势在必行。 １高频ＡＣ／ＤＣ变换器的设计（ＰＦＣ电路Ｊ 通过升压型ＰＦＣ电路可得约为４００＂￣ 的直流电源。 在火多数电子镇流器巾，为丫达到ＰＦ＝１，即输入电压和 输入电流之问的相移角为零，ＴＩＩＤ＝０％，即输入电流波形的形 状与输入电压波形的形状一致，ＩＲ２１６６包括有一个有源功率 因数校正ＰＦＣ电路。针对交流输入电压产生一个交流输入电 流，实现的控制方法是工作于临界导通模式（ＣＣＭ）的升压 型变换器『Ｉ】，即在ＭＰＦＣ的每个开关周期，电路一直等待到电 感ＬＰＦＣ电流放电到零时，才再次开通ＭＰＦＣ。ｂＩＰＦＣ的开关频 率（＞ＩＯＫＩＩＺ）远大于电网频率（５０ ６０１ＩＺ ｏ ＰＦＣ电路的工作 原理如图一所示。
I
2015年全国大学生电子设计竞赛
DC-DC双向变换器（A题）
完成人：石永健（ 电子三班 201340602081）
2015年8月14 II
摘 要
本系统以同步整流升降压电路为主，采用MSP430F5525单片机为控制核心。正向可以作为BUCK降压电路为电池充电，反向则可作为BOOST升压电路放电，经AD采样后由单片机调整PWM波输出，实现反馈控制。实验结果表明：当输入在24~36V条件下，充电时，充电恒流值十分稳定，电流控制精度为0.5%，充电电流变化率不大于0.5%，效率可高达96%。充电时，变换器效率高达97%。此外本系统还有充电电流显示，过充保护，自动切换等功能。
关键词：DC-DC双向变换；MSP430F5525；PWM反馈；恒流充电；同步整流
III
目录
1. 方案论证 .................................................................. 4
1．1双向变换电路的论证与选择 .......................................................................................... 4
1.2控制方案的论证与选择 .................................................................................................... 5
1.3驱动方案的论证与选择 .................................................................................................... 5
2．1电路的设计 ...................................................................................................................... 5
AC/DC双向变换器的研究现状
AC/DC双向变换器是由AC-DC、DC-AC两类基本的变换器组合形成，AC-DC变换器的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备，可称为整流器。DC-AC变换器则是将直流电转化成交流电，可称为逆变器。整流器是一个整流装置，有两个主要功能：第一，将交流电变成直流电，经滤波后供给负载，或者供给逆变器；第二，给蓄电池提供充电电压。因此，它同时又起到一个充电器的作用。
AC-DC变换按电路的接线方式可分为半波电路、全波电路以及桥式电路；按交流电源输入相数可分为，单相、三相及多相整流；按电路工作象限分为：一象限、二象限、三象限、四象限；按电路中使用的电力电子器件分为：相控电路、不可控整流电路、PWM整流电路。如果需要改变直流的输出电压，能够采用的方案有:相控整流、斩波方案、高频调制技术。
DC-AC变换器的发展分为三个阶段：传统发展，高频化新技术、软开关技术降损耗，先后出现了多种技术形式，如方波逆变、阶梯波合成逆变、脉宽调制、低频环节逆变、高频环节逆变、软开关逆变等。传统DC-AC变换器使用低频环节逆变技术，其中包括方波逆变器、阶梯波合成逆变器和正弦脉宽调制SPWM逆变器。低频环节逆变技术存在许多缺点，故可变高频环节逆变技术的概念于1977年被提出。该系统简单适应换流、高频电气隔离、独立的有功能量和无功能量控制、固有象限工作能力。按功率传输方向，高频环节逆变技术分为：单向型，双向型；按功率变换器的类型，高频环节逆变技术分为：电压源，电流源。随着科学发展，高频环节逆变技术会逐渐取代低频，朝着更高功率密度、更高变换效率发展，具有更广泛的应用发展前景。
