通过基于SiC的改进的中性腿最小化EV充电器的二阶纹波和直流电容

电动汽车技术是汽车行业的未来，电池和快速充电器系统不断取得快速发展。在不牺牲充电时间的情况下，正在进行研究和开发，以确保电池尺寸更小，充电期间的功耗最小。

太阳能光伏、风力涡轮机和储能系统具有三相逆变器，用作主动配电网络和分布式能源 (DER) 之间的接口。如今，具有更紧凑固态变压器 (SST) 的传统笨重变压器也需要三相逆变器来为负载供电。通常，当DER和SST用于为不平衡负载供电时，需要三相四线逆变器，为负载的零序电流提供额外的路径。

与传统的 EV 充电器相比，使用基于碳化硅的半导体器件的技术具有优势，因为它具有多种优势。传统上，50 kW EV 充电器有一个重 1,000 kg 的配电变压器和一个重 200 至 600 kg 的单独充电单元。此外，这个重量（变压器和充电系统）需要安装在混凝土板上。

每个模块都包含一个三电平升压 PFC 级和 1,600-V 至 400-V 隔离式 DC/DC 级。这些模块设计为可堆叠并支持高达 450 kW 和未来 800 V 的电动汽车。

图 1：具有中性腿的三相四线逆变器。(a) 使用传统的中性腿。(b) 通过移除 C+ 改进中性边（来源：链接）

与传统充电器相比，使用 SiC 的 50kW 充电器重量仅为 100 kg，可壁挂，在相同系统占地面积的情况下提供约 4 倍的功率，并降低了安装成本。

控制设计

图 2：提议的控制图（来源：链接）

上面的电路图显示了三相四线逆变器的控制策略以及建议的中性支路。在上图中，建议的中性点显示在第一部分，三相四线逆变器的闭环控制显示在第二部分。

所提议的中性支路仅需要两个额外的控制器：功率去耦控制器 G R2 (s)，用于将二阶纹波从直流母线中解耦，以及谐波补偿器 (HC)，用于补偿负载电流中的谐波。以下部分解释了基于 SiC 的中性支路的控制。

控制提议的中立腿

中性线电流控制器和功率去耦控制器存在于所提议的中性线支路的控制中。

中性电流控制器

该控制器的工作方式与传统中性腿的控制器类似。因此，相同的控制器可以直接被提议的中性腿用于传统的中性腿。此处，应用与谐振控制器并联的简单 PI 控制器，假设中性线电流仅包含基波分量。这里采用低通滤波器 (LPF) 来获得 C –的平均电压，并提取 V –的直流分量：

这里，ω c 是 LPF 的截止频率。应该滤除 100 Hz 及以上的谐波分量，因此ω c设置为 50 rad/s。PI 控制器可用于调节V的平均值至V dc /2。

由上式可知，k p 是比例增益，k i是积分增益 k i。 

为确保通过中性电感 L n而不是电容器 C –提供中性电流，应用了谐振控制器 G R1 (s)：

其中，ω为基波角频率，ξ 1 为谐振控制器的截止频率，K R1 为控制器的谐振增益。增益G R1 (s)几乎处处为零，但谐振频率ω不为零。V –将作为G R1 (s) 的反馈来测量，以将其基本分量调节为零。

电源去耦控制器

另一个谐振控制器G R2 (s) 被应用在功率去耦控制器中。 

由上式可知，ξ 2 定义了截止频率，K R2 是控制器的谐振增益，G R2 (s)在 100 Hz 处具有谐振峰值。直流母线电流 i s、G R2 (s)的反馈和二阶分量i s被控制为零。

所提议的中性支路可以提供中性电流，并且可以同时减少直流母线纹波，其中中性电流控制器和电源去耦控制器并联在一起。

三相逆变器的控制

三相四线逆变器以独立模式工作，为不平衡负载提供平衡的三相电压。因此，交流电压闭环控制由内部控制环执行。三相由比例谐振电流和电压控制器独立控制：

由上式可知，K p_v 为电压比例增益，K p_i 为电流控制器；K R_v 是电压的谐振增益，K R_i是电流控制器；ξ v 和ξ i是截止频率的系数。此外，由于功率去耦控制器 G R2 (s)引起的中性点电压变化，二次谐波需要电流控制器进行补偿。因此，如上图所示，HC 与 G P R_i (s)并联，以补偿 100 Hz 处的谐波：

由上式可知，ξ HC为 HC(s) 的截止频率，K HC 为控制器的谐振增益。

直流母线电压要求

图 3：直流母线电压要求（来源：链接）

由上式可知，V dc_avg,con 是平均直流母线电压，V dc_max,con 是传统中性线支路不平衡二阶电源纹波引起的最大直流母线电压，C eq 是等效直流母线电容.

直流电容

对于提供 230 V rms交流电压的三相逆变器，选择 1,200-V 半导体开关（Si IGBT 或 SiC MOSFET）。因此，直流母线电压不应超过 1,200 V。直流母线电容的设计必须使直流母线电压不超过 750 V。

如第一张图所示，C dc是靠近开关放置的小型薄膜电容器的总和，可减少电压过冲和开关谐波。因为C dc 的值可以忽略不计 (10 µF)，所以总线电容的主要部分是中性腿的电容。然而，考虑到电容器的串联连接，等效直流总线电容减小了。

根据上述等式，C total,pro和C total,con 分别是提议的和传统的支路所需的总电容。

结论

与传统的中性腿相比，基于 SiC 的中性腿提供中性电流并减少二阶直流母线纹波。以下参数是通过使用基于 SiC 的中性腿实现的：

输出功率：50千瓦

输入电压：2,400 VAC

输出电压：200–500 VDC

峰值效率：97.6%

功率因数：≥98

输入电流THD：≤5%

审核编辑：刘清