南通大學(xué)電氣工程學(xué)院、南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院的研究人員秦嶺、孔笑笑等，在2015年第23期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，提出一種新型大型停車場電動汽車充電設(shè)施——直流充電樁，以及適用于該設(shè)施后級裝置的低電應(yīng)力ZCS-PWM Superbuck變換器。

該變換器的輸入電流連續(xù)，因而前級有源電力濾波器（APF）的容量和設(shè)計難度得以大大降低。此外，該變換器可在整個輸入電壓和負載變化范圍內(nèi)實現(xiàn)所有功率管的零電流開關(guān)；采用鉗位二極管，消除了所有功率管的電壓尖峰；與傳統(tǒng)的硬開關(guān)Superbuck變換器相比，主開關(guān)管具有相同的電流應(yīng)力。

首先詳細分析該變換器的工作機理，給出軟開關(guān)實現(xiàn)的條件和功率管電應(yīng)力；然后建立系統(tǒng)的CCM平均模型，得出穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性；最后以320V/50A·h的磷酸鐵鋰動力電池為負載，通過一臺1.8kW/80kHz樣機進行實驗驗證。研究結(jié)果表明：該直流充電樁具有低諧波污染、高效率、長壽命、低成本以及易于批量建設(shè)等優(yōu)點。

隨著電動汽車示范推廣力度的加大，充電設(shè)施將扮演日趨重要的角色[1]?，F(xiàn)有的充電設(shè)施主要有充電站、換電站以及交流充電樁等。充電站和換電站多采用1～2C大倍率充電，在短時間（小于1h）內(nèi)快速完成動力電池的能量補給[2]，然而動力電池嚴重發(fā)熱，大大縮短了循環(huán)壽命[3]。交流充電樁主要是為車載充電機提供交流接口，并通過有源電力濾波器（APF）實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)校正[4]。

受體積、成本和重量的限制，車載充電機的功率普遍較小，只能慢充，因此交流充電樁的功率和體積也相應(yīng)較小，便于在大型停車場大量安裝。然而，交流充電樁需要和車載充電機配合使用，這就限制了其應(yīng)用。

直流充電樁是一種新型充電設(shè)施，其不需要電動汽車配備充電機，只需要其提供直流接口，就可以直接對動力電池進行充電，從而提高了電動汽車的可靠性，并降低了整車成本；采用夜間慢充方式，既能獲得夜間電價補貼，又不縮短電池壽命，從兩方面節(jié)約了電動汽車的使用成本。因此，直流充電樁能夠?qū)﹄妱悠嚨目焖偻茝V起到積極作用，在未來電動汽車能源供給體系中將占有重要地位。

由于動力電池容量大（幾十kW·h）、電壓高且變化范圍大（240~420V）[5，6]，為了降低系統(tǒng)設(shè)計和控制的難度，大型停車場用直流充電樁的主電路采用圖1所示的兩級式結(jié)構(gòu)。其中，前級通過三相不控整流電路得到約500V的直流電，并采用并聯(lián)型APF實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)校正；后級采用DC-DC降壓型變換器，以完成動力電池的恒流、恒壓充電。需要注意的是，為了提高直流充電樁的整體壽命，三相不控整流電路的輸出端未采用電解電容濾波。

此外，由于實際應(yīng)用中直流充電樁往往成組建設(shè)，因此可以在停車場配電間的交流進線側(cè)安裝中等容量的三相工頻變壓器進行總電氣隔離，以提高人身安全性，如圖1所示。這樣，后級DC-DC降壓型變換器就可采用單管非隔離拓撲（如Buck變換器），以降低直流充電樁的成本、體積和重量，并提高系統(tǒng)效率。

后級DC-DC降壓型變換器是直流充電樁實現(xiàn)動力電池充電功能的基礎(chǔ)，其電磁干擾、效率、成本、體積和重量等性能對直流充電樁是否經(jīng)濟、可靠地工作至關(guān)重要[7]。與傳統(tǒng)的Buck變換器相比，Superbuck變換器具有相同的電壓增益，但其輸入、輸出電流均連續(xù)[8]，因而前級APF的設(shè)計容量得以降低，且電磁干擾大大減小，因此更適合用作直流充電樁的后級變換器。

直流充電樁后級變換器的輸入電壓高達500V左右，因此更加適合采用IGBTs作為開關(guān)管。為了實現(xiàn)直流充電樁的小型化和輕型化，需要提高開關(guān)頻率，然而IGBTs關(guān)斷時的電流拖尾所導(dǎo)致的關(guān)斷損耗也隨之急劇增加。解決上述問題的有效辦法是實現(xiàn)IGBTs的零電流開關(guān)。近幾年，各國學(xué)者陸續(xù)提出了多種ZCS-PWM技術(shù)方案[9-21]。

文獻[9-14]利用輔助諧振電路實現(xiàn)了主開關(guān)管的零電流開關(guān)，減小了開關(guān)損耗。但主開關(guān)管電流為硬開關(guān)電流疊加諧振電流，因此電流應(yīng)力和通態(tài)損耗很大。文獻[15-19]使諧振電流只流過輔助回路，有效解決了主開關(guān)管電流應(yīng)力大的問題。

但新的問題隨之而來，如：續(xù)流回路中存在多個二極管，增大了變換器的通態(tài)損耗[15-16]；采用了多個諧振電感或耦合電感，增大了鐵耗和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性[17-19]。

上述缺陷在文獻[20]提出的ZCS-PWM方案中得以解決。然而，該方案中輔助二極管關(guān)斷時等效結(jié)電容和線路中的電感（包括諧振電感和線路分布電感）產(chǎn)生了高頻諧振，使得所有功率管都出現(xiàn)較大的電壓尖峰。這一現(xiàn)象在方案[9, 19]中也同樣可以觀察到。

過高的電壓尖峰導(dǎo)致電路中所有功率管的電壓定額被迫抬高了1倍，飽和壓降、通態(tài)損耗和成本都因此增加。因此，必須采取相應(yīng)措施對電壓尖峰予以抑制。在功率管兩端并聯(lián)RC或RCD吸收電路，可有效抑制關(guān)斷時的電壓尖峰，但嚴重影響了系統(tǒng)效率。采用有源鉗位電路可緩解上述電壓尖峰問題，但無疑會導(dǎo)致主電路拓撲、控制及驅(qū)動復(fù)雜化[21]。

文獻[11，14，15]指出，采用無源鉗位技術(shù)是消除ZCS-PWM DC-DC變換器中功率管電壓尖峰的最為經(jīng)濟、有效地方法。

基于和文獻[15，20]相似的方案，本文提出了一種新型ZCS-PWM Superbuck變換器，其能夠在工作電壓和負載范圍內(nèi)實現(xiàn)所有開關(guān)管的零電流開關(guān)，且主開關(guān)管的電流應(yīng)力降到最低；在IGBT的發(fā)射極和儲能電容的一端連接鉗位二極管，消除了所有功率管的電壓尖峰，電壓應(yīng)力也達到最低。由于該變換器具有效率高、電應(yīng)力低、電磁干擾小、成本低、結(jié)構(gòu)簡單以及體積重量小等優(yōu)點，非常適合用作直流充電樁的后級變換器。

首先詳細分析了該變換器的工作機理，給出了軟開關(guān)實現(xiàn)的條件和功率管電應(yīng)力；然后建立了系統(tǒng)的CCM平均模型，得出穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性；最后以320V/50A·h的磷酸鐵鋰動力電池為負載，通過一臺1.8kW/80kHz樣機實驗驗證了這種充電裝置的可行性。

圖1 大型停車場直流充電樁的主電路結(jié)構(gòu)

結(jié)論

本文提出了一種新型的大型停車場電動汽車充電設(shè)施——直流充電樁，以及適用于該設(shè)施后級裝置的低電應(yīng)力ZCS-PWM Superbuck變換器。分析了該變換器的工作原理和特性，最后以320V/50A·h的磷酸鐵鋰動力電池為負載，通過一臺1.8kW/80kHz樣機實驗驗證了該充電裝置的可行性。研究結(jié)果表明：

1)直流充電樁可實現(xiàn)電動汽車動力電池的恒流、恒壓兩階段慢充功能。

2)相同工作條件下，直流充電樁后級變換器采用Superbuck變換器，其網(wǎng)側(cè)電流的THD約為采用Buck變換器時的1/3，從而可有效降低APF的設(shè)計容量。

3)低電應(yīng)力ZCS-PWM Superbuck變換器可在整個輸入電壓和負載變化范圍內(nèi)實現(xiàn)所有功率管的零電流開關(guān)。與硬開關(guān)相比，系統(tǒng)效率大大提高。

4)采用鉗位二極管有效消除了所有功率管的電壓尖峰，且諧振電流只流過輔助回路，主開關(guān)管的電流應(yīng)力達到最低。與文獻[9]相比，本文提出的方案中電壓、電流應(yīng)力均得到明顯降低。因此，可采用較低電壓及電流定額的功率器件，以提高系統(tǒng)效率，并降低成本。