单相车载集成三电平NPC充电电源模块

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种单相车载集成三电平NPC充电电源模块。

背景技术

整流器是电力电子装置的一个重要组成部分，主要功能是利用功率半导体器件把交流电能转换为直流电能，广泛应用于家用电器、工业设备等诸多领域。

随着气候条件的不断恶化，保护环境、减少二氧化碳的排放已经成为世界各国的重要工作；全世界拥有数亿辆燃油汽车，每年都要消耗大量的汽油，因此燃油车向电动汽车的过渡已经成为汽车行业的趋势，电动汽车只需要使用电能就可以驱使汽车，不需要燃烧化石能源，非常适合当今世界环保的需要；但是电动汽车的蓄电池续航不够、蓄电池充电速度慢的问题一直是困扰消费者的重要原因，通常，有两种类型的电池充电器：车载型和独立(非车载)型。车载充电器在任何有电源插座的地方都能灵活充电。车载型具有增加车辆重量、体积和成本的缺点；因此，它通常用于较低功率(<3.5kW)。当需要更高的充电功率时，使用非车载充电器时，充电器的尺寸和重量更方便控制。受限于充电站数量的限制，电动汽车并不能一直使用非车载充电器，车载充电器的需求仍然很大。对于传统车载充电器，需要大电感，开关管等器件，增加了电路的重量、尺寸和成本，这对电动汽车都是很大的负担。

因此，寻求一种具有成本低、充电功率密度高、体积小的集成车载整流器，对电动汽车行业的发展具有非常积极的意义，在目前电动汽车行业大发展的环境下具有良好的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单相车载集成三电平NPC充电电源模块，该模块能够高效、方便地为电动汽车充电，且电路简单，成本低，体积小。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种单相车载集成三电平NPC充电电源模块，由单相交流电源单元、三相永磁同步电机、三电平NPC变换器、储能式直流蓄电池依序级联构成；所述单相交流电源单元由电网Ug、充电开关K1和放电开关K2组成，所述电网Ug与充电开关K1串联后与放电开关K2并联；所述单相交流电源单元一端、直流蓄电池以及三相永磁同步电机的定子的两相电感均与三电平NPC变换器相连，单相交流电源单元另一端与三相永磁同步电机的定子的另一相电感相连；所述三相永磁同步电机的三相电感在K1闭合K2断开的充电状态下与三电平NPC变换器一起将电网Ug交流电整流成直流电并传输给直流蓄电池；所述三相永磁同步电机的三相电感在充电状态下起到功率因数校正的作用，控制电网Ug的输入电流双通道交错流通，从而达到抑制输入电流纹波的效果。

进一步地，所述三电平NPC变换器包括三个互相并联的由IGBT组成的桥臂、三个由二极管组成的二极管桥以及两个参数完全相同的电容C1和C2；三个桥臂的中点A、B、C共同组成交流端，三个桥臂的两端构成直流端，各桥臂中第一个IGBT的c极作为直流端的一端为三相NPC变换器的正极，各桥臂中最后一个IGBT的e极作为直流端的另一端为三相NPC变换器的负极；三个二极管桥分别连接在相应的桥臂上面；电容C1和C2串联后两端分别连接三电平NPC变换器的正极和负极；三电平NPC变换器的正极和负极分别连接直流蓄电池的正极和负极；

桥臂中点A与单相交流电源单元一端连接，桥臂中点B、C分别与三相永磁同步电机定子的b相电感Lb、c相电感Lc连接，三相永磁同步电机定子的a相电感La与单相交流电源单元另一端相连；

电网Ug的电流从三相永磁同步电机的a相流入，从b、c相流出；在每个开关周期内控制b、c相的电流，大小相等且在时域中相差180°；由于a相电流等于b、c相电流之和，而b、c相电流在每个开关周期内交错180°，使得电网Ug的输入电流纹波得到有效地抑制。

进一步地，所述三个桥臂均包括四个同向串联的IGBT型开关管，分别为Sa1-Sa4、Sb1-Sb4、Sc1-Sc4，三个桥臂的中点A、B、C分别位于Sa2与Sa3之间、Sb2与Sb3之间、Sc2与Sc3之间；

所述三个二极管桥均包括两个同向串联的二极管，分别为D11、D12，D21、D22，以及D31、D32，三个二极管桥的中点分别位于D11与D12之间、D21与D22之间、D31与D32之间，三个二极管桥的中点均与电容C1和C2的中点N连接，三个二极管桥的阳极分别连接在Sx1与Sx2之间，三个二极管桥的阴极分别连接在Sx3与Sx4之间，其中x＝a,b,c。

进一步地，在所述三电平NPC变换器中，每个IGBT型开关管的c、e两端均反向并联一个续流二极管。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明可以将汽车驱动系统与车载充电变换系统进行结合，省去传统车载充电变换系统中的功率因数校正电感，显著提高空间利用率，此外，将永磁同步电机中的电感作为功率因数校正交错电感，能够显著提高交流侧的谐波抑制能力。本发明把传统的三电平NPC变换器与三相永磁同步电机三相电感的结构结合，构成新型的集成车载的箝位电路结构，提出了单相三电平NPC整流器的电路结构与拓扑。与传统的车载充电器相比，本发明能够使用220V的家庭电给电动车蓄电池充电，通过把电动汽车内部的电动机绕组、驱动电机的电力电子器件用于充电电路，实现重复利用，具有成本低、单位功率因数运行、零转矩、体积小、功率密度高、应用前景广等优点。

附图说明

图1为本发明实施例的电路图。

图2为本发明实施例的驱动电路图。

图3为本发明实施例的充电电路图。

图4为本发明实施例的控制框图。

图5为本发明实施例中三电平NPC变换器输出0.5Uo的电路图。

图6为本发明实施例中三电平NPC变换器输出0的电路图。

图7为本发明实施例中三电平NPC变换器输出-0.5Uo的电路图。

图8为本发明实施例中影响中性点平衡的电路图。

图9为本发明实施例中UBA＝Uc2，UCA＝Uc1+Uc2的模态图。

图10为本发明实施例中UBA＝Uc1+Uc2，UCA＝Uc1+Uc2的模态图。

图11为本发明实施例中UBA＝Uc1+Uc2，UCA＝Uc2的模态图。

图12为本发明实施例中UBA＝Uc1，UCA＝Uc1的模态图。

图13为本发明实施例中UBA＝Uc2，UCA＝Uc2的模态图。

图14为本发明实施例中UBA＝0，UCA＝Uc2的模态图。

图15为本发明实施例中UBA＝Uc2，UCA＝0的模态图。

图16为本发明实施例中UBA＝0，UCA＝Uc1的模态图。

图17为本发明实施例中UBA＝Uc1，UCA＝0的模态图。

图18为本发明实施例中UBA＝0，UCA＝0的模态图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种单相车载集成三电平NPC充电电源模块，其特征在于，由单相交流电源单元、三相永磁同步电机、三电平NPC变换器、储能式直流蓄电池依序级联构成。所述单相交流电源单元由电网Ug、充电开关K1和放电开关K2组成，所述电网Ug与充电开关K1串联后与放电开关K2并联。所述单相交流电源单元一端、直流蓄电池以及三相永磁同步电机的定子的两相电感均与三电平NPC变换器相连，单相交流电源单元另一端与三相永磁同步电机的定子的另一相电感相连；所述三相永磁同步电机的三相电感在K1闭合K2断开的充电状态下与三电平NPC变换器一起将单相交流电整流成直流电并传输给直流蓄电池；所述三相永磁同步电机的三相电感在充电状态下起到功率因数校正的作用，控制电网Ug的输入电流双通道交错流通，从而达到抑制输入电流纹波的效果。

本发明为电动汽车设计一种全新的拓扑结构，通过整合电动汽车的驱动系统和充电系统，可以将电动汽车驱动系统中的永磁同步电机定子的三相电感和三电平NPC变换器用于电动汽车的充电系统，电机的三相电感用于储能和消除纹波，为了满足电网总谐波失真的要求，变流器在连续导通模式下运行，单相集成车载充电器可以安装在电动汽车上面。通过这种方式可以节省充电系统中所用的电感、开关管等器件，对于电动汽车车载充电器来说是非常友好的，可以减少充电系统的体积和成本。

本发明可用于任何三相交流电机系统，该系统只需要接入电机的相端子，无需接入电机定子绕组的中点。在电动汽车推进模式下如图2所示，断开K1，闭合K2，蓄电池通过三电平NPC变换器给电机提供能量；在电动汽车充电模式下如图3所示，闭合K1，断开K2，电网交流电压通过三相永磁同步电机定子的三相电感和三电平NPC变换器构成了一个双通道交错升压变换器，该电路可用于单位功率因数校正和输出电压/电流调节。

具体地，所述三电平NPC变换器电路为可控整流桥电路，包括三个互相并联的由IGBT组成的桥臂、三个由二极管组成的二极管桥以及两个参数完全相同的电容C1和C2。三个桥臂的中点A、B、C共同组成交流端，三个桥臂的两端构成直流端，各桥臂中第一个IGBTSx1的c极作为直流端的一端为三相NPC变换器的正极，最后一个IGBT Sx4的e极作为直流端的另一端为三相NPC变换器的负极，其中x＝a,b,c。三个二极管桥分别连接在相应的桥臂上面。电容C1和C2的中点为N，电容C1和C2串联后两端分别连接三电平NPC变换器的正极和负极；三电平NPC变换器的正极和负极分别连接直流蓄电池的正极和负极。

桥臂中点A与电网Ug一端连接，桥臂中点B、C分别与三相永磁同步电机定子的b相电感Lb、c相电感Lc连接，三相永磁同步电机定子的a相电感La与单相交流电源单元另一端相连。

电网Ug的电流从三相永磁同步电机的a相流入，从b、c相流出；在每个开关周期内控制b、c相的电流，大小相等且在时域中相差180°；由于a相电流等于b、c相电流之和，而b、c相电流在每个开关周期内交错180°，使得电网Ug的输入电流纹波得到有效地抑制。

更具体地，所述三个桥臂均包括四个同向串联的IGBT型开关管(共十二个IGBT型开关管)，分别为Sa1-Sa4、Sb1-Sb4、Sc1-Sc4，三个桥臂的中点A、B、C分别位于Sa2与Sa3之间、Sb2与Sb3之间、Sc2与Sc3之间。IGBT为绝缘栅双极型晶体管，属于大功率全控型开关管，由于充电模式下地功率较大，且为了更好地对系统进行控制，本发明选择用IGBT型开关管。

所述三个二极管桥均包括两个同向串联的二极管(共六个二极管)，分别为D11、D12，D21、D22，以及D31、D32，三个二极管桥的中点分别位于D11与D12之间、D21与D22之间、D31与D32之间，三个二极管桥的中点均与电容C1和C2的中点N连接，三个二极管桥的阳极分别连接在Sx1与Sx2之间，三个二极管桥的阴极分别连接在Sx3与Sx4之间，其中x＝a,b,c。

为使整流后形成地电流连续防止电路在工作地时候IGBT被烧坏，在所述三电平NPC变换器中，每个IGBT型开关管的c、e两端均反向并联一个续流二极管。

图4示出了本实施例的控制原理图。在充电电路电压闭环控制下，实现直流端的电压或电流控制，该控制策略能实现单位功率因数，总谐波失真小于5％；该控制器由两个闭环组成：(1)输入电流内环，形成正弦输入电流；(2)输出电压或电流外环，用于调节输出电压或电流，如图4所示，内环通过锁相环(PLL)生成输入电流的基准，以跟踪交流电压的轨迹。给定直流端电压或电流参考值与实际直流端电压或电流之间的偏差，经过PI调节器后与输入电压锁相环后的相位相乘得到输入电流的基准I

在充电模式下，需要保证三相永磁同步电机不会产生旋转转矩，需要控制i

变换器通过调制电压U

工作模式(a)是

(1)D<2/3

1)U

对应的模态的占空比为1)0.25D，2)0.5-0.75D，3)0.25D，4)0.5D，5)0.25D，6)0.5-0.75D，7)0.25D。

(2)D>2/3

1)U

对应的模态的占空比为1)0.5(1-D)，2)0.75D-0.5，3)0.5(1-D)，4)0.5D，5)0.5(1-D)，6)0.75D-0.5，7)0.5(1-D)。

上述的模态图如图9、10、11、12、13所示，上述的模态可以保证电容C1和C2的充放电是一致的，在每个开关周期内都能保证Uc1＝Uc2，Ib＝Ic。

工作模式(b)是

(1)D<0.5

1)U

对应的模态的占空比为1)0.25D，2)0.25D，3)0.25D，4)0.25D，5)1-2D，6)0.25D，7)0.25D，8)0.25D，9)0.25D。

(2)D>0.5

1)U

对应的模态的占空比为1)0.25(1-D)，2)0.5D-0.25，3)0.25(1-D)，4)0.25(1-D)，5)0.25(1-D)，6)D-0.5，7)0.25(1-D)，8)0.25(1-D)，9)0.25(1-D)，10)0.5D-0.25，11)0.25(1-D)。

上述的模态图如图12～18所示；

工作模式(c)是

(1)D<0.5

1)U

对应的模态的占空比为1)0.25D，2)0.25D，3)0.25D，4)0.25D，5)1-2D，6)0.25D，7)0.25D，8)0.25D，9)0.25D。

(2)D>0.5

1)U

对应的模态的占空比为1)0.25(1-D)，2)0.5D-0.25，3)0.25(1-D)，4)0.25(1-D)，5)0.25(1-D)，6)D-0.5，7)0.25(1-D)，8)0.25(1-D)，9)0.25(1-D),10)0.5D-0.25,11)0.25(1-D)，模态图和工作模式b类似。

工作模式(d)是

(1)D<2/3

1)U

对应的模态的占空比为1)0.25D，2)0.5-0.75D，3)0.25D，4)0.5D 5)0.25D，6)0.5-0.75D，7)0.25D.

(2)D>2/3

1)-Uc1-Uc2、U

对应的模态的占空比为1)0.5(1-D)，2)0.75D-0.5，3)0.5(1-D)，4)0.5D，5)0.5(1-D)，6)0.75D-0.5，7)0.5(1-D),模态图和工作模式a类似。

为了达到抑制输入电流纹波的效果，可以让线电压U

由于中性点电压平衡直接影响到b、c两相的电流控制，在实际电路中虽然电压矢量分配的过程中对Uc1和Uc2的充放电是一样的，但是实际过程中可能会出现细小的差别，而这个差别会通过b、c相电流进一步扩大，因此需要对中性点点位进行校正，如图4所示通过对Uc1和Uc2做差，经过PI调节器输入SVPWM控制器中，在控制U

对于三相永磁同步电机的b、c相电流，我们需要控制Ib＝Ic，在实际电路中虽然电压矢量分配的过程中对电感Lb和Lc的储能和馈能是一样的，但是实际过程中可能会出现细小的差别，这个差别会作用在电容C1和C2上影响Uc1和Uc2的电压，使得b、c相的电流发生偏移，因此需要对b、c相的电流进行校正，如图4所示通过对Ib和Ic做差，经过PI调节器输入SVPWM控制器中，按照图8所示，控制SVPWM中保持调制电压Uba、Uca的和不变，如果Ib大于Ic则控制开关管分配b相电流上升的矢量更多一些，c相电流下降的矢量多一些，从而可以保证a相电流即输入电流按照基准电流变换，b、c相电流也可以保持大致相等的状态。

本发明可以将电动汽车内部的电机和驱动电路重新整合到充电系统中，不需要其他的器件就可以把电网的交流电整流输送到蓄电池，并且可以抑制输入电流纹波，保持单位功率因数运行，具有极高的经济性，还可以缩小电动汽车充电器的尺寸。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。