学术︱大型停车场电动汽车直流充电桩用低电应力ZCS-PWM Superbuck变换器
南通大学电气工程学院、南京航空航天大学自动化学院的研究人员秦岭、孔笑笑等，在2015年第23期《电工技术学报》上撰文，提出一种新型大型停车场电动汽车充电设施——直流充电桩，以及适用于该设施后级装置的低电应力ZCS-PWM Superbuck变换器。
该变换器的输入电流连续，因而前级有源电力滤波器（APF）的容量和设计难度得以大大降低。此外，该变换器可在整个输入电压和负载变化范围内实现所有功率管的零电流开关；采用钳位二极管，消除了所有功率管的电压尖峰；与传统的硬开关Superbuck变换器相比，主开关管具有相同的电流应力。
首先详细分析该变换器的工作机理，给出软开关实现的条件和功率管电应力；然后建立系统的CCM平均模型，得出稳态特性和动态特性；最后以320V/50A·h的磷酸铁锂动力电池为负载，通过一台1.8kW/80kHz样机进行实验验证。研究结果表明：该直流充电桩具有低谐波污染、高效率、长寿命、低成本以及易于批量建设等优点。
随着电动汽车示范推广力度的加大，充电设施将扮演日趋重要的角色[1]。现有的充电设施主要有充电站、换电站以及交流充电桩等。充电站和换电站多采用1～2C大倍率充电，在短时间（小于1h）内快速完成动力电池的能量补给[2]，然而动力电池严重发热，大大缩短了循环寿命[3]。交流充电桩主要是为车载充电机提供交流接口，并通过有源电力滤波器（APF）实现网侧功率因数校正[4]。
受体积、成本和重量的限制，车载充电机的功率普遍较小，只能慢充，因此交流充电桩的功率和体积也相应较小，便于在大型停车场大量安装。然而，交流充电桩需要和车载充电机配合使用，这就限制了其应用。
直流充电桩是一种新型充电设施，其不需要电动汽车配备充电机，只需要其提供直流接口，就可以直接对动力电池进行充电，从而提高了电动汽车的可靠性，并降低了整车成本；采用夜间慢充方式，既能获得夜间电价补贴，又不缩短电池寿命，从两方面节约了电动汽车的使用成本。因此，直流充电桩能够对电动汽车的快速推广起到积极作用，在未来电动汽车能源供给体系中将占有重要地位。
由于动力电池容量大（几十kW·h）、电压高且变化范围大（240~420V）[5，6]，为了降低系统设计和控制的难度，大型停车场用直流充电桩的主电路采用图1所示的两级式结构。其中，前级通过三相不控整流电路得到约500V的直流电，并采用并联型APF实现网侧功率因数校正；后级采用DC-DC降压型变换器，以完成动力电池的恒流、恒压充电。需要注意的是，为了提高直流充电桩的整体寿命，三相不控整流电路的输出端未采用电解电容滤波。
此外，由于实际应用中直流充电桩往往成组建设，因此可以在停车场配电间的交流进线侧安装中等容量的三相工频变压器进行总电气隔离，以提高人身安全性，如图1所示。这样，后级DC-DC降压型变换器就可采用单管非隔离拓扑（如Buck变换器），以降低直流充电桩的成本、体积和重量，并提高系统效率。
后级DC-DC降压型变换器是直流充电桩实现动力电池充电功能的基础，其电磁干扰、效率、成本、体积和重量等性能对直流充电桩是否经济、可靠地工作至关重要[7]。与传统的Buck变换器相比，Superbuck变换器具有相同的电压增益，但其输入、输出电流均连续[8]，因而前级APF的设计容量得以降低，且电磁干扰大大减小，因此更适合用作直流充电桩的后级变换器。
直流充电桩后级变换器的输入电压高达500V左右，因此更加适合采用IGBTs作为开关管。为了实现直流充电桩的小型化和轻型化，需要提高开关频率，然而IGBTs关断时的电流拖尾所导致的关断损耗也随之急剧增加。解决上述问题的有效办法是实现IGBTs的零电流开关。近几年，各国学者陆续提出了多种ZCS-PWM技术方案[9-21]。
文献[9-14]利用辅助谐振电路实现了主开关管的零电流开关，减小了开关损耗。但主开关管电流为硬开关电流叠加谐振电流，因此电流应力和通态损耗很大。文献[15-19]使谐振电流只流过辅助回路，有效解决了主开关管电流应力大的问题。
但新的问题随之而来，如：续流回路中存在多个二极管，增大了变换器的通态损耗[15-16]；采用了多个谐振电感或耦合电感，增大了铁耗和结构复杂性[17-19]。
上述缺陷在文献[20]提出的ZCS-PWM方案中得以解决。然而，该方案中辅助二极管关断时等效结电容和线路中的电感（包括谐振电感和线路分布电感）产生了高频谐振，使得所有功率管都出现较大的电压尖峰。这一现象在方案[9, 19]中也同样可以观察到。
过高的电压尖峰导致电路中所有功率管的电压定额被迫抬高了1倍，饱和压降、通态损耗和成本都因此增加。因此，必须采取相应措施对电压尖峰予以抑制。在功率管两端并联RC或RCD吸收电路，可有效抑制关断时的电压尖峰，但严重影响了系统效率。采用有源钳位电路可缓解上述电压尖峰问题，但无疑会导致主电路拓扑、控制及驱动复杂化[21]。
文献[11，14，15]指出，采用无源钳位技术是消除ZCS-PWM DC-DC变换器中功率管电压尖峰的最为经济、有效地方法。
基于和文献[15，20]相似的方案，本文提出了一种新型ZCS-PWM Superbuck变换器，其能够在工作电压和负载范围内实现所有开关管的零电流开关，且主开关管的电流应力降到最低；在IGBT的发射极和储能电容的一端连接钳位二极管，消除了所有功率管的电压尖峰，电压应力也达到最低。由于该变换器具有效率高、电应力低、电磁干扰小、成本低、结构简单以及体积重量小等优点，非常适合用作直流充电桩的后级变换器。
首先详细分析了该变换器的工作机理，给出了软开关实现的条件和功率管电应力；然后建立了系统的CCM平均模型，得出稳态特性和动态特性；最后以320V/50A·h的磷酸铁锂动力电池为负载，通过一台1.8kW/80kHz样机实验验证了这种充电装置的可行性。
图1 大型停车场直流充电桩的主电路结构
结论
本文提出了一种新型的大型停车场电动汽车充电设施——直流充电桩，以及适用于该设施后级装置的低电应力ZCS-PWM Superbuck变换器。分析了该变换器的工作原理和特性，最后以320V/50A·h的磷酸铁锂动力电池为负载，通过一台1.8kW/80kHz样机实验验证了该充电装置的可行性。研究结果表明：
1)直流充电桩可实现电动汽车动力电池的恒流、恒压两阶段慢充功能。
2)相同工作条件下，直流充电桩后级变换器采用Superbuck变换器，其网侧电流的THD约为采用Buck变换器时的1/3，从而可有效降低APF的设计容量。
3)低电应力ZCS-PWM Superbuck变换器可在整个输入电压和负载变化范围内实现所有功率管的零电流开关。与硬开关相比，系统效率大大提高。
4)采用钳位二极管有效消除了所有功率管的电压尖峰，且谐振电流只流过辅助回路，主开关管的电流应力达到最低。与文献[9]相比，本文提出的方案中电压、电流应力均得到明显降低。因此，可采用较低电压及电流定额的功率器件，以提高系统效率，并降低成本。
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