基于IGBT的直流充电机装置设计

李小伟，王知学，王 勇

（1.山东省科学院 自动化研究所，山东 济南 250014；2.山东省汽车电子技术重点实验室 山东 济南 250014）

随着国家十二五电动汽车规划的颁布，未来五到十年内，中国电动汽车将会得到快速的发展，但目前制约电动汽车发展的因素主要体现在诸如锂电池等能源装置价格以及充电装置技术的完善上，电动汽车发展越迅速，对大功率充电设备的要求也越来越高。原有小功率充电装置中主要采用了MOSFET等小功率器件，在大功率充电设备中，越来越需要高压大功率IGBT器件来实现逆变电源部分，IGBT属于全控型器件，载流能力大，可承受电压高的优点集于一身，性能十分优越，使之成为现代电力电子技术的主导器件[1]，所以采用IGBT可减少原有小功率充电模块并接实现大功率充电装置的现状，减少成本及设备占用体积。

1 工作原理

该系统主要为动力锂电池充电设计的，直流充电机充电模块由三相无源PFC和DC/DC两个功率部分组成。在两功率部分之外还有辅助电源以及输入输出检测保护电路。

前级三相无源PFC电路由输入EMI和无源PFC组成，用以实现交流输入的整流滤波和输入电流的校正，使输入电路的功率因素大于0.92，以满足DL/T781-2001中三相谐波标准和GB/T 17794.2.2-2003中相关EMI、EMC标准。后级的DC/DC电路由DC/DC变换器及其控制电路、整流滤波、输出EMI等部分组成，用以实现将前级整流电压转换成符合电动汽车充电要求的稳定的直流电压输出。辅助电源在输入无源PFC之后，DC/DC变换器之前，利用三相无源PFC的直流输出，产生控制电路所需的各路电源。输入检测电路实现输入过欠压、缺相等检测。DC/DC的检测保护电路包括输出电压电流的检测，散热器温度的检测等，所有这些信号用以DC/DC的控制和保护。

2 系统构成

该充电装置主要由主回路、控制回路、驱动电路及保护电路等部分组成，在输入三相交流电后，系统经过整流、逆变和整流过程后输出所需要的直流充电电压，各部分的组成及工作原理如下。

2.1 主回路

主回路结构如图1所示。

图1 主回路结构图Fig.1 Structure diagram of the main circuit

主回路中IGBT器件组成了DC/AC高频逆变电路，IGBT它是MOSFET和BJT的复合，它把MOSFET的驱动功率小、开关速度快得优点和BJT的通态压降小、载流能力大、可承受电压高的优点集于一身，具有输入阻抗高、开关频率高、热稳定性好、易触发和能承受高压强流等特点[2]，所以此地大功率充电模块逆变环节设计采用了IGBT器件。该部分采用了移相全桥软开关拓扑，移相全桥软开关的实质就是利用谐振过程对并联电容充放电，让某一桥臂电压快速升至电源电压或者降至零值，使同一桥臂即将开通管的并接二极管导通，把该管两端电压钳位在0 V，为ZVS创造条件[3]。

2.2 控制回路

控制回路采用基于UCC3895的移相全桥PWM变换器，UCC3895是TI公司生产的又一种高性能PWM移相型控制器。它是UC3879的改进型，除了具有UC38779的功能外，最大的改进是增加了自适应死区设置，以适应负载变化时不同的准谐振软开关要求。新增加了PWM软关断能力。同时由于它采用了BCDMOS工艺，使得它的功耗更小，工作频率更高，因而更加符合电力电子装置高效率、高频率、高可靠的发展要求[4]。如图2所示为UCC3895连接图。

图2 UCC3895连接示意图Fig.2 Structure diagram of the UCC3895 connection

2.3 驱动电路

栅极驱动电路有多种形式，以驱动电路与IGBT连接方式分为直接驱动、隔离驱动和集成化驱动[5]。本系统采用集成化驱动电路，目前市场上应用较多的主要是富士公司的EXB系列和三菱的M579系列集成驱动电路。

本系统驱动电路采用三菱公司的M57962L集成电路，因其驱动可靠，价格低廉，被广泛地应用于N沟道IGBT驱动领域[6]。该驱动采用了双电源结构，2500V高电压高隔离光耦合器和过电流保护集成在内，驱动电路原理如图3所示。

图3 驱动电路示意图Fig.3 Structure diagram of the drive circuit

2.4 保护电路

大功率直流充电装置在使用过程中长期处于恶劣的工业现场中，如果没有保护措施极易产生安全问题，对生命财产造成重大的损失，所以本系统需要设计保护完善的保护电路。保护电路主要包括信号调理及故障检测电路，CPU系统。保护电路工作具体流程是：开始故障检测电路检测到过压、过流或短路等故障信号，该信号通过信号调理电路输入到CPU系统，CPU系统经过分析后，发送关断信号发送到UCC3895，封锁UCC3895脉冲信号输出端口。同时CPU根据系统故障类型控制直流充电装置的工作状态，由LCD人机界面显示故障停机状态。故障信号检测电路图如图4所示。

图4 故障检测电路图Fig.4 Fault detection circuit diagrams

3 结 论

该直流充电装置经过样机硬件测试，实际应用表明该系统具有稳定可靠、运行安全等特点，达到了设计要求。

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