新能源汽车充电模块之Vienna整流

新能源汽车充电模块之Vienna整流

一．技术背景及研究意义

新能源汽车是未来的发展趋势，充电桩的建设已纳入到市政建设中，新建小区必须预留充电桩建设位置，充电桩的前景将会越来越好，在最近几年也将要迎来爆发期，我们今天要探究的VIENNA整流技术，是新能源充电桩模块上主要拓扑结构之一，已经很成熟和广泛的应用在7.5KW，12KW，15KW等系列充电模块上。

上个世纪90 年代初，VIENNA 大学的 J.W.Kolar 等提出了一种新型的整流器拓扑，即 VIENNA 整流器 ,VIENNA 整流器具有以下特点：

1) 类似于 Boost 型PFC整流器，可以实现输入电流正弦跟随输入电压，波形畸变率低，能够实现整流器功率因数PF->1。
2) 功率MOS管、功率二极管等器件上所承受电压应力低，理论上最大电压        Vrm为直流输出电压的一半。
3) 相较于普通两电平全桥整理器，在相同的开关频率下电感的电流纹波降低，因而减小了电感的体积，提高了整流器的功率密度。
4) 功率开关管与上、下桥臂的二极管串联，因此不会因为开关管的误导通造成桥臂的直通从而烧毁器件，因此具有较高的可靠性。

按是否有中性线连接，三相 VIENNA 整流器可分为三相四线制及三相三线制，在三相四线制 VIENNA 整流器中，用中性线将输入侧中性点与电容中点连接,则整流器可解耦为三个单相 BOOST 拓扑，由于中性线的引入,在实际应用中会给设计带来困难并且限制了应用场合，在充电模块上实际应用的是三相三线 VIENNA 整流器。

二．数学模型和控制框图2.1 VIENNA 整流器拓扑结构分析

三相 VIENNA 整流器拓扑结构如图 2-1 所示，采用三相三线制的型式，连接电容中点 M 和中性点 N 就构成了三相四线制结构。 其中， Va、 Vb、 Vc为三相对称的三相电源， La、 Lb、 Lc 为三相升压电感， D1、D2、D3、D4、D5、D6为续流二极管， 功率器件 Sa1、 Sb1、 Sc1、Sa2、 Sb2、 Sc2 连接于整流器输入端和直流母线电容中点， 每个开关管有开通和关断两种状态。

图2-1

2.2 VIENNA 整流器工作原理及开关状态分析

VIENNA 整流器的工作原理与开关管的状态及电源侧电流方向有关，每一相桥臂都可以等效为一个正向和反向 Boost 电路。三相三线制结构流入 M 点的一相电流通过另外两相构成回路。现以一相电流流通路径为例，另两相与之相同，以下根据电网电压极性，分两种情况进行讨论：

电网电压为正半周时
在电网电压为正半周，开关导通和关断的时候，每一相桥臂上电流的流通路径分别如图 2-2 中箭头所示。

图2-2

当开关管 Sa1 导通时，电流通过 Sa1，Sa2 至电容中点M，该过程中电压 Va>0，电流不断地增大对电感 La 进行 储能，此时 A 点相对于电容中点M电位为 0。当开关 Sa1 关断后，电流通过续流二极管 D1续流，电感释放能量，对电容 C1 充电， A 点相对电容中点M电位为 1/2Vdc。这一过程相当于一个 Boost电路的充放电过程。

电网电压为负半周时
在电网电压为负半周，开关导通和关断的时候，每一个桥臂上电流的流通路径如图 2-3 中箭头所示：

图2-3

当开关管 Sa2 导通时， A 点电位被钳位至电容中点 M， A 点对中点电位为0。当开关 Sa2 关断后，电流通过续流二极管 D2续流，A 点对中点电位为-1/2Vdc。这一过程相当于一个反向 Boost 电路。