车载充电器(OBC)和辅助电源模块(APM)是电动汽车中两种主要的电力电子组件。OBC作为电网与高压(HV)驱动电池之间的中介，它将高压直流总线电压降至低压(LV)总线，以为非驱动负载供电并为低压电池充电。APM则在电动汽车内充当高压与低压系统之间的连接。本文提出了一种使用三端电流馈送三重有源桥(CFTAB)转换器的方法，旨在通过电气和磁性方式将OBC和APM结合，从而降低成本和减小体积。

　　由于采用电流馈送的设计，不需要大型输出电容器，并且电流应力显著降低。研究中创建了一个联合模型，适用于11-kW/250至450-V的OBC和3.5-kW/10至16-V的APM，以展示所提集成充电器的优点。

　　所提设计

　　在电动汽车中，OBC和APM通常是独立的组件。OBC的功率等级可以是11 kW或22 kW，而APM通常为2.5 kW或3.5 kW。尽管APM的功率等级较低，但其较低的输出电压导致电流应力显著增加。

　　将OBC和APM分开会导致体积增大和成本上升。如图1顶部所示，两个系统都具有主侧桥、变压器和直流链接电容器。为了降低成本和减小体积，将这两个单元与三绕组变压器结合是至关重要的，如图1底部所示。

图1

　　所提的电流馈送转换器由三个独立端口组成：主侧、高压侧和低压侧。这些端口分别连接到功率因数校正(PFC)输出、高压电池和低压电池。相应的拓扑结构如图2所示。Ls1、Ls2和Ls3是变压器的漏感抗。Lo1和Lo2是HV输出滤波器中的负连接电感。Lo3和Lo4是用于LV输出的互连电感。Chv和Clv是用于维持高直流电压并减少变压器两个次侧电流应力的钳位电容。

图2

　　端口之间的相位移控制着功率流的管理。所提拓扑与现有拓扑相比提供了几个优点。首先，电流馈送端口使LV侧电压增加到更高的值，从而降低了变压器的匝比，便于其构建。

　　此外，工作周期提供了额外的控制选项，允许在整个功率范围内实现零电压切换(ZVS)的可能性。通过高压和低压端口的低侧开关流动的大部分电流为负，表明其电流应力显著低于电压馈送转换器。

　　在将CFTAB应用于集成充电器时，必须计算几个重要参数，包括直流链接电压、变压器匝比和钳位电容电压等。

　　为了集成3P/480-V电网电压，直流链接电压必须超过线间电压的峰值。因此，为总线使用750 V DC的额定电压。变压器的匝比为主侧、高压侧和低压侧的12:12:1。计算得出的变压器高压和低压端电压分别为750 V和60 V。

　　1.2-kV的SIC MOSFET用于主侧和高压侧，100-V的Si MOSFET用于低压侧。为了限制电流馈送转换器中的变压器电流，通常使用电压匹配控制。该控制方法相对简单，但存在高环流和在轻载条件下ZVS丧失等问题。本研究的重点则是实现整个范围内的ZVS并减少无功功率。

　　随后建立了一个控制系统，通过扩展工作周期来管理电压不匹配。在这种情况下，工作周期不再用于提高电池电压并与主侧变压器绕组中的电压对齐，而是确保ZVS并减少无功功率。此外，高压端口还包括扩展的工作周期。通常在电流馈送转换器中，为实现ZVS，工作周期需保持在0.5以下。然而，这个工作周期并不适合集成充电器。

　　开发了一种自适应优化方法，以确定扩展电压不匹配控制的适当操作模式，使用为变压器电流和连接电感电流准备的模型。选择的操作模式基于电池电压而非功率水平进行分类。优化方法优先考虑了整个功率范围的ZVS。随后，工作周期根据电池电压进一步调整，以最小化无功功率。

　　电流馈送转换器通常不需要大型输出电容器。然而，输出电感器的存在至关重要。本研究利用负耦合电感器来减小输出滤波器的尺寸。由于相位腿的交错功能，连接电感有效消除了直流输出电流，仅留下交流波动作为磁通变化的原因。在这种情况下，电感器核心的尺寸可能大大缩小。此外，由于交错，输出电流波动的水平也得以降低。

　　原型

　　基于上述分析和设计，构建了一个原型以确认设计的准确性。充电器包括功率因数校正(PFC)阶段和电流馈送三重有源桥(CFTAB)阶段。

　　在最大容量下，充电器经过严格测试，具有750-V DC总线电压。它在高压端提供350 V下的11 kW功率，在低压端提供12 V下的3.5 kW功率。在高侧开关中，电流用于为钳位电容充电和放电。因此，这是一种流经而不流入负载的循环电流。在低侧开关的情况下，参数Ids主要代表负载电流，通常为负值。这种负载电流确保在关断过程中以低电流实现ZVS。这一特性对低压端尤其有利。

　　与传统的电压馈送转换器相比，所提转换器在两侧开关上并未出现过大的电流应力。所提设计还表现出高功率密度。

　　原型采用紧凑且可适应的设计，采用模块化方法。超大尺寸的设备尺寸为46 × 22 × 7 cm，总体积为7升。其功率密度为2.05 kW/升。相比之下，先进的APM的功率密度通常为7升。所提转换器可以在同一体积中同时为低压电池提供3.5 kW和为高压电池提供11 kW。

　　该转换器具备多种能力，并在以下方面相较于先进技术展现出优势：

　　同时为高压和低压电池充电

　　全范围ZVS操作

　　低侧开关的最小关断电流

　　高效经济的输出滤波器设计

　　所提转换器所提供的多项优势使其非常适合电动汽车应用，从而显著节省成本和空间。后续工作将涉及功率解耦和闭环控制的执行。

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