1．目的及意义
1.1 研究背景
随着经济的迅猛发展，汽车保有量不断攀升，化石能源的消耗量日益升高，随之而来的能源危机问题和环境污染问题迫使世界各国更加重视新能源的开发，电动汽车和新能源发电技术应运而生。电动汽车具有节能、零排放、低噪声、效率高等优点，逐渐成为世界各国政府和汽车企业关注的焦点，有望成为未来汽车工业发展的主流方向。我国也在积极采取措施，推动电动汽车在我国的发展。
近几年来，我国相继颁布了一系列支持电动汽车发展的政策，例如《关于继续开展新能源汽车推广应用工作的通知》、《国务院办公厅关于加快新能源汽车推广应用的指导意见》、《关于电动汽车用电价格政策有关问题的通知》等。从国家出台的相关政策可以看出，大力发展以电动汽车为代表的新能源汽车是我国今后的一个重要战略方向，汽车产业的格局必将迎来重大变化。在国家政策的扶持下，电动汽车的销量逐年上升，人们对电动汽车的认可度逐渐提升，我国以电动汽车为首的新能源汽车保有量不断上升。截至2017年末，我国新能源汽车的保有量已达153万多辆。
在电动汽车快速发展的过程中，必须要解决的问题就是充电问题。大力推进充电基础配套设施——各类分散式交直流充电桩、大型集中式充换电站的建设，是当前推广电动汽车应用的紧迫任务，是推进新能源消费革命的重要战略举措。截至2015 年，我国计划建成的充电站的数量就达到了一千五百多个，并且计划完成的充电桩数量达二十多万个。
充电桩分为交流充电桩和直流充电桩，由于交流充电桩提供的充电速度相对较慢，所以直流充电桩将成为市场发展的主流。直流充电桩电源模块的主要功能是为新能源电动汽车的动力电池充电，其质量直接影响充电的效率和可靠性。作为直流充电桩的核心组件，对于电源模块的研究和设计是一个非常关键的课题。

根据新能源电动汽车行业标准和非车载充电机的相关技术要求，规划了直流充电桩电源模块整体电路结构方案，最终电源模块的电路结构采用AC-DC和DC-DC两级变换器结构。AC-DC 变换器的目的是将交流输入电变换为输出稳定的直流电，DC-DC 变换器的目的是将前级输出的直流电变换为最终满足要求的直流电。

1.2 国内外研究现状
1.2.1 直流充电桩
国家能源局发布的直流充电桩相关的行业标准《NB/T 33001-2010：电动汽车非车载传导式充电机技术条件》中指出，直流充电桩的基本构成包括：功率单元、控制单元、计量单元、充电接口、供电接口及人机交互界面等。功率单元是指直流充电模块，控制单元是指充电桩控制器。直流充电桩本身作为一种系统集成产品，除了 “直流充电模块”和“充电桩控制器”这两个组件构成了技术核心之外，结构设计也是可靠性设计的关键点之一。
直流充电桩的电气部分由主回路和二次回路组成。主回路的输入是三相交流电，经过输入断路器、交流智能电能表之后由整流模块将三相交流电转换为电池可以接受的直流电，再连接熔断器和充电枪，给电动汽车充电。二次回路由充电桩控制器、读卡器、显示屏、直流电表等组成。二次回路还提供“启停”控制与“急停”操作;信号灯提供“待机”、“充电”与“充满”状态指示;显示屏作为人机交互设备则提供刷卡、充电方式设置与启停控制操作。

鉴于直流充电桩的输出功率较大，其输入通常为三相交流电。市场上的直流充电桩电源模块一般采用两级式结构，前级电路是三相有源功率因数校正电路，可以减小输入电流的畸变，提高整机的功率因数，减少对电网产生谐波污染；后级电路采用高频隔离型功率电路，将电网与动力电池进行电气隔离，同时实现输出电压的宽范围调节。

1.2.2 AC-DC模块研究现状
传统的充电桩结构一般是由一个交流电作为输入，然后有一个桥式整流电路通过此交流电，一般为不可控整流环节，随后经过一个简单的滤波电路后输入给DC-DC变换电路，得到稳定输出的直流电压。但是随着半导体工艺技术的不断进步，近些年许多科研人员为了提高效率在充电电源中引入了无桥PFC结构。关于无桥PFC电路的研究，国内外有大量的科研人员对其作了分析和发展，并取得许多成果。
美国电气与电子工程师协会的学者M.Jovanovic对无桥Boost和无桥Buck的PFC电路进行了分析研究，在2008-2009年对Boost PFC电路的损耗和效率进行研究，设计了多磁芯、多线圈的电感，使得无桥Boost PFC电路对磁性材料利用率更高，并在2010-2011年提出了多种可以提高功率因数和实现低损耗的无桥Buck PFC电路。国际电力电子专家Willliam.G.Dunford主席对无桥Boost PFC电路在电动汽车充电领域的应用开展研究，于2011年在AC-DC结构中引入了无桥PFC电路并实现了小体积、高性能、低成本。IEEE 成员Soeiro提出了一种三电平单向无桥PFC电路结构，与传统两电平无桥PFC电路相比有更低的开关损耗。巴西的学者 Pinheiro JR、Barbi等人提出了三电平直流变换器，之后三电平变换器发展迅速，Buck三电平变换器、Boost 型三电平变换器等新的拓扑结构先后被提出。
南京航空航天大学的阮新波教授，系统地阐述了三电平变换器及其软开关技术理论，推动了国内对三电平变换器的研究。江苏大学的赵永建教授等人也为将数字控制引入三电平
变换器作出了贡献。

1.2.3 DC-DC模块研究现状
目前，DC-DC变换电路方面的研究取得巨大的发展与进步。在电源高频化领域的研究，国内关于DC-DC变换电路的开关频率主要是几万赫兹，国外关于DC-DC变换电路的开关频率己经有几十万赫兹，甚至是上百万赫兹。在功率密度方面，因为软开关技术的发展应用而使得DC-DC变换电路有了极大的提高。DC-DC变换电路也因此应用范围日渐广泛。作为开关电源的重要研究部分之一，软开关技术吸引了国内外众多研究人员的关注，而且取得了快速的发展和极高的进步。
双向DC-DC变换电路也是目前电源领域研究的一个重要方向。它不仅可以通过电网向电池正常充电，还可以在电网供电负荷压力大的高峰时间段向电网提供短时的紧急供电。此时的双向DC-DC变换电路提供一个类似单向直流变换的功能，可将电池储能传输给电网。在需要短时能量反向流动的场合应用这种DC-DC变换电路可对成本的降低有显著效果。双向DC-DC变换电路可快速的切换功率传输方向使得电能可双向流动。一般同步整流技术可在双向DC-DC变换电路上使用，使得电路有导通损耗降低、响应速度快的特点。因为工作状态下功率开关器件电压和电流是一定值时双向DC-DC变换电路功率大小取决于所使用功率开关器件的数量，一般为正比例关系，故全桥DC-DC变换电路的功率等级最高，特别适合于中等或大功率场合，尤其是电源的输入电压等级为高压场合。
关于功率开关管在DC-DC变换电路中的导通技术分两种:一种称为硬开关技术，一种称为软开关技术。当采用硬开关技术时，功率开关管不作为理想器件，当其处于导通状态时会留存一个下降时间，功率开关管的电压不能瞬间降至零点。与此对应，功率开关管的电流存在一个上升的过程，电流不能骤升至负载电流，使得电压电流发生重叠过程，从而造成功率开关管的导通损耗。同样当功率开关管关断时同样存在关断损耗，而且此种电路损耗正比于变换电路的开关频率，故开关频率的提升受到一定限制。DC-DC变换电路所产生损耗会使其温度上升产生发热现象，严重影响着功率器件的使用寿命，同时带来极强的电磁干扰以至影响到其它重要电子元件的正常工作。针对硬开关技术所存在的开关管导通损耗、关断损耗及高频干扰问题，逐渐有学者提出软开关技术以解决上述问题。软开关技术是在功率开关器件的导通和关断时采用电感电容等谐振器件来减小电流和电压的重叠时间以消除其导通损耗。软开关电路主要有零电流开关电路(Zero-Current-Switching , ZCS)与零电压开关电路(Zero-Voltage-Switching, ZVS)。在电流处于自然过零阶段时，软开关技术利用谐振原理迫使功率开关器件关断;在电压处于自然过零阶段时，软开关技术再迫使功率开关器件导通，从而达到零损耗。为更好实现ZVS和ZCS软开关技术，提升电路的性能，大量以移相全桥DC-DC电路为基础的ZVS电路被提出。
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2. 研究的基本内容与方案

{title}2.1 设计的基本内容
设计额定功率为20kW的直流充电桩电源模块，实现380VAC输入，恒定直流电流输出。选择合适的拓扑结构设计硬件电路，采用Simulink模块搭建电路并仿真以实现直流充电桩的预期功能。

根据新能源电动汽车行业标准和非车载充电机的相关技术要求，规划了直流充电桩电源模块整体电路结构方案，直流充电桩的整体电路结构如附件所示。

电源模块的电路结构采用AC-DC和DC-DC两级变换器结构。AC-DC变换器的目的是将交流输入变换为稳定的直流输出，DC-DC 变换器的目的是将前级的直流输出变换为满足最终要求的直流输出。而在电源模块进行功率变换工作的过程中，控制电路采集AC-DC变换器以及DC-DC变换器的输出电压与电流，输出驱动信号以控制相应环节开关管的开通以及关断。
根据以上电路结构，具体应当进行以下方面的研究：①AC-DC变换器环节的拓扑结构选取，②DC-DC变换器环节的拓扑结构选取，③控制电路以及驱动电路的设计，④将各个模块环节合并组成直流充电桩电源模块整体电路。

2.2 设计的目标
设计额定功率为20kW的直流充电桩电源模块，实现380VAC输入，恒定的直流电流输出。并利用MATLAB中的SIMULINK模块实现变换器主模块，控制电路模块、控制策略模块的仿真以及直流充电桩电源模块整体电路运行特性的模拟，使该仿真能达到设计要求，得到正确的仿真曲线。

2.3 设计拟采用的技术方案及措施
2.3.1 AC-DC变换器模块
三相三电平三开关 PFC 电路也称 VIENNA 整流器。相比于传统的三相PWM 整流器，VIENNA 整流器结构新颖，系统性能优秀，且开关管承受的电压应力低、无电压直通问题、无需设置死区时间、需要控制的开关器件少、控制和驱动相对容易。在大功率应用领域，采用三相VIENNA 整流器不仅可降低功率开关管及二极管的电流应力，还可减小输入电流的电流波动，减小滤波器的体积。通过采用交错并联技术，使两个三相VIENNA 整流器的输出高频波动互补，从而达到降低总输出电压高频波动，降低干扰的目的。
因此AC-DC变换模块采用VIENNA整流器。

2.3.2 DC-DC变换器模块

为了减小直流充电桩电源模块的开关损耗，提高其工作效率，本系统的后级采用全桥LLC谐振变换器。全桥三电平 LLC 谐振变换器基本的硬件包括两个全桥三电平桥臂 Q1 -Q8（本样机中，由于Q1和Q4的关断电流较大，故采样了双管并联）及其并联电容 C1-C8 、输入分压电容滤波电容 Cd1和Cd2 、四个续流二极管 D9-D12 、两个飞跨电容Css1和C ss2 、变压器副边为全桥整流包括四个二极管DR1-DR4、滤波电容 Cf 、谐振电感 Lr（包含了变压器原边漏感），变压器励磁电感Lm（即为变压器原边电感），谐振电容Cr。

2.3.3 控制电路
由于传统模拟控制方法的低集成度、低灵活度、调试复杂等缺点，数字技术的应用得到了发展。由于数字控制芯片的出现，实现了数字技术和模拟技术的相融合，具备了直接监视、处理并适应系统条件的能力，实现故障管理、过电压(流)保护、自动冗余等功能，能够满足几乎任何电源要求。因此控制电路以TMS320F28335 为控制核心，扩展电路包括三相交流电压、电流检测电路，直流母线电压检测电路，输出电压检测电路，PWM脉冲输出电路，核心控制芯片负责电路信号的采集，算法的实现，系统状态的检测以及故障处理。