Vienna整流器在电动汽车充电桩中的应用研究
Vienna整流器在电动汽车充电桩中的应用研究
Vienna整流器在电动汽车充电桩中扮演着重要角色，其能够将电网侧的交流电高效转换为直流电，实现快速充电。本文将详细介绍Vienna整流器的背景、研究现状及其在电动汽车充电桩中的应用前景。
1. 背景
Vienna整流器的应用场景主要是大功率直流充电桩，其可以将电网侧交流电直接转换为电动汽车动力电池所需的直流电，输出功率大，充电速度快。直流充电桩一般采用两级变换结构，前级整流电路，后级DC/DC变换电路。前级整流电路的作用是将电网侧的交流电转换为直流电，为后级变换电路提供一个稳定的直流电压。后级变换电路通常采用隔离型拓扑结构，从而输出一个安全且调压范围宽的直流电压来给电动汽车的动力电池充电。
直流充电桩的两级变换结构
传统的晶闸管相控整流电路和二极管不控整流电路因产生大量谐波等缺点已不能满足电动汽车充电桩的应用需求。随着电力电子理论的进一步发展，三相两电平PWM整流器广泛应用于直流充电桩设计。在一些高压大功率的应用场合，三电平整流器拓扑具有较大优势，其中Vienna整流器具有电流谐波小、功率开关数量少、功率因数高、开关电压应力低等优点。
2. PFC研究现状
三相单开关整流器是在二极管不控整流电路的基础上增加了一个二极管和一个开关管，具有结构简单，成本较低的优点。因为一个开关周期的时间很短，所以一个开关周期内的各相交流输入电压可看作定值。当开关管导通时，该相输入相电压分别加到各相的电感上，此时各相输入电流峰值正比于各相输入相电压的瞬时值，输入电流线性增大。当开关管关断时，输入相电压的瞬时值和整流器的输出电压两者共同决定了各相电感电压，因此各相输入电流峰值不再与各相输入相电压的瞬时值成正比，各相输入电流出现畸变。因此，三相单开关整流器的缺点是三相输入电流畸变较大，含有较多的五次谐波，滤波器的设计要求较高。
三相单开关整流器的拓扑结构
三相六开关整流器是目前应用比较广泛的整流器。它把二极管不控整流电路中的六个二极管替换为了开关管。通过合理的控制策略，可以使三相的输入电流连续，实现三相输入电流的连续可控，减少三相输入电流的畸变，该系统也就具有较高的功率因数。同时，该电路允许能量双向流动，即工作在整流和逆变两种状态。三相六开关整流器属于两电平整流器，其缺点是开关管及其驱动电路数量多，控制起来相对复杂，开关管需要承受全部的直流侧电压，上下桥臂存在直通的危险。
三相六开关整流器的拓扑结构
针对两电平整流器的缺点，三电平整流器中二极管钳位型拓扑最具代表性。它的每相桥臂由两个二极管和四个开关管组成。相比于两电平整流器，三电平整流器的交流侧电平数量增加，交流侧电压更接近正弦波，因此输入电流畸变更小，具有更高的功率因数。此外，该整流器的所有开关管只需要承受一半的直流侧电压，在高压大功率场合的应用比较广泛。该整流器的缺点是功率器件数量多，成本较高，控制起来比两电平整流器更加复杂，且存在中点电位不平衡问题。
二极管钳位型三电平整流器的拓扑结构
3. Vienna整流器研究现状
3.1 主电路拓扑
三相三开关Vienna整流器是一种典型结构，它只用到了三个开关管，其中每个开关管与四个普通二极管构成一个双向开关，每相用双向开关将该相桥臂交流侧与直流侧中点连接。当开关管导通时，该相桥臂交流侧通过开关管以及两个普通二极管连接到直流侧中点，电压钳位到0。当开关管关断时，按照输入电流的方向，该相桥臂交流侧电压通过快恢复二极管钳位到+Vdc/2或-Vdc/2。三相三开关整流器只需要三个驱动电路，所有功率器件只需承受一半的直流侧电压，缺点是主电路功率器件总数量较多，电流导通路径上的功率器件多，导通损耗大。
三相三开关Vienna整流器的拓扑结构
三相T型Vienna整流器拓扑总共用到了六个开关管，其中每两个开关管采用背靠背的连接方式构成一个双向开关。三相T型Vienna整流器的优点是主电路功率器件少，只需要三个驱动电路，六个开关管只需要承受一半的直流侧电压，电流导通路径上的功率器件最少，导通损耗低。缺点是快恢复二极管需要承受全部的直流侧电压，而较高耐压等级的快恢复二极管具有较大的反向恢复损耗，这会导致电路损耗增大，可以选用SiC肖特基二极管克服该缺点。
三相T型Vienna整流器的拓扑结构
三相六开关Vienna整流器拓扑总共用到了六个开关管，其中每个开关管与两个普通二极管组成了一个双向开关。三相六开关Vienna整流器的优点是所有功率器件只需承受一半的直流侧电压，电流导通路径上的功率器件数量相比于三开关整流器少，有较低的导通损耗。缺点是主电路功率器件较多，需要六个驱动电路。
三相六开关Vienna整流器的拓扑结构
通过分析以上三种常用的整流器拓扑，三相T型Vienna整流器结构简单，功率器件少，导通损耗更低，且快恢复二极管的反向恢复损耗大的缺点可选用SiC肖特基二极管来克服。因此，三相T型Vienna整流器非常适用于电动汽车充电桩的前级整流装置。
3.2 控制策略
作为充电桩的前级整流装置，Vienna整流器需要完成三大控制目标：（1）输入电流波形正弦化，实现PFC功能；（2）输出稳定的直流电压，在负载波动等情况下依然能保持稳定；（3）直流侧中点电位平衡。目前国内外相关领域的学者对整流器的控制方法做了很多研究，主要包括PI控制，单周期控制，滞环控制，以及一些新型智能控制策略。
PI控制是现代工业控制中应用比较多的控制方法。控制由比例环节和积分环节两个环节构成，其中积分环节能让系统无差地跟踪指令信号。当系统的输入是交流量时，使用abc坐标系下的PI控制不能实现。基于dq坐标系下的控制策略可以解决了该问题，但是这需要多次坐标变换，算法较复杂。另外一种方法是使用PR控制器，并将其应用到PFC中，使其性能得到较大改善。
滞环控制策略是一种经典的非线性控制方法，该方法的主要原理是通过将实际电流与参考电流做差，利用滞环比较器产生开关动作信号。该方法能使系统的电流动态响应特性很好，且鲁棒性高，缺点是开关频率随着电流波形的变化而改变，这导致了系统的滤波器设计很困难。针对开关频率变化的问题，可以将电网电压与一比例信号相乘作为环宽的修正信号，在一定程度上减少了峰值电流畸变。还可以将滞环控制与SVPWM控制相结合，降低了对输入电压和负荷变化的敏感性。
单周期控制是一种比较新的非线性控制方法，其原理是改变开关信号的占空比，使每个周期的开关变量平均值跟随参考信号。该方法控制简单，抗扰动能力强，开关频率恒定。缺点是系统容易受到电流中的谐波干扰，导致其工作不稳定。为了解决该问题，把均压环路引入到了单周期控制系统中，在实现中点电位平衡控制的同时，进一步提高了该装置直流母线电压的利用率。
除了以上方法外，各种新型智能控制策略也被相继提出，例如滑模变结构控制、模糊控制、无源性控制等，都取得了一定的效果和成绩。