刘欢1，柴艳鹏1，沈懿璇2，韩帅2，陈晓2
河北大学电子信息工程学院 保定 071002
摘要：交错并联Boost PFC变流器是恒定输出电压开关电源最合适的电路拓扑之一。本文将碳化硅功率器件应用到该变流器拓扑，采用此变流器作为电动汽车车载充电机前级AC/DC电路。文章主要介绍了该变流器的工作原理，并对其特点进行分析讨论。通过仿真与样机的实测，验证将碳化硅器件作为功率器件应用到交错并联Boost PFC电路中的可行性。
关键词：交错并联Boost PFC；碳化硅器件；电动汽车；车载充电机；AC/DC电路
0 引 言
近年来，电力电子技术迈入了迅速发展的道路上，这就对开关电源的效率、功率因数、损耗等提出了更高的要求[1]。AD/DC开关电源应用广泛，大部分开关电源的前级AC/DC变流器采用桥式整流作为输入整流电路，这种整流电路转换效率低，特别是整流桥后的滤波电容会给电路引入高次谐波影响，最终导致电源的功率因数严重下降并且造成电源的效率低下[2]。
为进一步提高电源的效率，本文提出了一种有效提高功率因数的AC/DC变换器方案，所设计的交错并联Boost型PFC作为车载充电机的前级AC/DC变流器电路，使用碳化硅MOSFET功率器件作为开关器件[3]。通过分析改进后电路的效率，得到电路元器件的参数。最后通过理论分析与实验验证，将其与原有的传统Boost型PFC拓扑进行对比分析，证明了交错并联Boost型PFC在车载充电机应用中的可行性及稳定性。
1 车载充电机结构
典型的两级式OBC电路结构如图1所示[4-5]。前级AC/DC电路采用Boost型PFC，后级DC/DC电路采用隔离型全桥LLC谐振电路。
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2 交错并联Boost PFC变流器研究
2.1 拓扑分析
限于电网谐波电流标准，电动汽车充电器都采用Boost型PFC电路，本设计采用交错并联Boost型PFC电路作为电动汽车车载充电机的前级DC/DC电路，电路拓扑如图2所示。L2、L3为电感，Q2、Q3是碳化硅MOSFET开关管，D6、D7是整流二极管，C1为输出电容。其中L2、D6、Q3；L3、D7、Q2各组成一个单项PFC电路支路。
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2.2 效率分析
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3 实验结果
根据交错并联Boost PFC工作原理，本文以设计的充电机指标为依据，对其功率电路的主要元器件进行参数设计并选型。前级PFC电路的主要性能指标如表1所示。
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给定输入电压Vac时，IBPFC的效率随负载系数的增加而增加。本文所设计装置在输入电压Vac不同时，IBPFC效率和PF与负载系数之间的关系曲线如图3、图4所示。
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由图可知，PF>0.99。对于某一特定的负载系数，输入电压越高，IBPFC的效率越高。Vac=176V时，ηPFC超过93.5%，峰值效率超过97.7%；Vac=220V时，ηPFC超过93.5%，峰值效率超过98.1%；Vac=264V时，ηPFC超过93.4%，峰值效率超过98.3%。Vac越大，相同功率下，输入电流越小，PFC的导通损耗越小，因此，PFC的效率ηPFC越高。
4 结论
本文通过引入碳化硅器件并提出采用交错并联Boost型PFC代替传统的Boost拓扑，将其应用到电动汽车车载充电机中，该车载充电机由前级交错并联Boost型PFC和后级全桥LLC谐振变流器构成，能够有效提升供电系统的能量利用率及车载充电机的整机效率。对PFC效率进行了计算和优化，其峰值效率高于98.3%，THD＜4%，PF＞0.99。最后通过实验验证了本文所设计交错并联Boost型PFC拓扑的可行性及高效性。
参考文献：
[1]刘子文, 苗世洪, 范志华,等. 孤立交直流混合微电网双向AC/DC换流器功率控制与电压波动抑制策略[J]. 中国电机工程学报, 2019, 39(21): 6225-6237.
[2]Wijeratne D S, Moschopoulos G. A Three-Phase Single-Stage AC–DC PWM Buck-Type Full-Bridge Converter: Analysis, Design, and Characteristics[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(10):4201-4214.
[3]曹腾, 吕鹏飞. 开关电源的发展及技术趋势[J]. 电子制作, 2016(07):94-95.
[4]Mehdi, Narimani, Gerry, et al. A New Interleaved Three-Phase Single-Stage PFC AC-DC Converter[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2014, 61(2):648-654.
[5]梁秋晨. 一种基于双向开关的高频隔离型单级AC-DC变换器研究[D]. 北京交通大学.
基金项目：河北大学研究生创新资助项目（hbu2020ss003）
Post-graduate’s Innovation Fund Project of Hebei University