内部DC/DC级对低频共模噪声的补偿
作者：Dr.-Ing. Frank Schafmeister，电力电子系主任，Paderborn University
 
车载充电器（OBC）通过交流电网为电动和插入式混合动力电动汽车（XEV）的牵引电池充电。它们在较高的功率水平（11千瓦、22千瓦）下工作，应该能够处理各种电网形式——然而，从欧洲三相电网和北美单相（“分相”）电网运行的组合在转向无变压器OBC架构时会造成困难。
 

图1：xEV的动力电池可以通过直流充电站充电，或者通过OBC从交流电网（a）充电。本文重点介绍交流充电，尤其是在（欧洲）三相电网（b）和北美单相（“分相”）电网（c）运行的无变压器OBC
 
那些采用简化DC/DC转换器作为OBC输出级的架构原则上保证了更高的转换效率以及更低的重量和成本，特别是对于未来需要双向功率流的车辆到电网（V2G）场景。
 
省略隔离变压器会带来各种挑战（不仅与安全相关）。通过选择构成OBC输入级的有利功率因数校正（PFC）整流器电路，可以避免电池端子处的高频（HF）脉动电压电位，尽管缺少变压器。
 
根据实际的PFC拓扑，尤其是交流电网的形式，低频（LF）组件（50-150 Hz）在蓄电池端子和连接的高压（HV）系统上显示为共模电压。
 
这些共模电压通过寄生和显式滤波电容驱动相应的共模泄漏电流流向接地/底盘和连接的保护接地（PE）导体。这些低频泄漏电流可能会引发功能性干扰，且不得超过3.5–10 mA的法定限值。
 
目前正在开展研发活动，以OBC输入级和电网连接器之间的专用补偿装置为目标。必须测量低频泄漏电流，然后对其进行主动补偿。相反，本文提出的方法利用OBC内部DC/DC级来避免产生共模电压，并防止产生泄漏电流。
 
这是由对称的DC/DC双级实现的，该双级是闭环控制的，以保持蓄电池端子处的电压电位恒定。OBC的切换模型仿真验证了所提出的方法。此外，在北美分相电网的关键运行时，直流链路电容器处的低频电压纹波也降低了约35%。
 
本文主要讨论交流充电，并讨论OBC在处理各种电网形式时面临的挑战。与传统的基于变压器的解决方案相比，那些采用简化的DC/DC转换器作为OBC输出级（图2）的架构有望实现更高的效率、更低的重量和成本。这尤其适用于（但不仅限于）未来的车到网（V2G）场景，其中需要通过OBC的双向功率流。
 

图2：在欧洲三相电网（a）和北美分相电网（b）运行的无变压器OBC（单向变型）的示例性拓扑
 
图2显示了无变压器OBC（此处为单向变体）的示例性拓扑结构。PFC级基于T型Vienna整流器，但这种变体将直流链路中点M连接到电网侧，以便也允许单相运行。
 
该拓扑变体应表示为ViennaM。当从三相电网充电时，M连接到中性线N（图2a），当使用美国分相电网（图2b）时，M连接到负L1-线（120 Vrms@180°相移指L1+ = ‘-120Vrms’, 60Hz）。
 
这样，三个电网相位端子（a、b、c或L1+、L1+、L1+）和第四个电网回路端子（N或L1-）之间的电压水平保持相似，即欧洲三相电网为230Vrms，美国分相电网为240Vrms。
 
考虑到Vienna三相相脚的特定尺寸电流能力（例如，每个桥臂16个相脚），欧盟和美国运行的OBC功率水平也非常相似（例如，欧盟为11.0千瓦，美国为11.5千瓦）。
 
然而，将直流链路中点M连接到电网回路（N或L1-）并因此连接到定义的电势，为无变压器OBC提供了另一个实质性优势，因为该措施在很大程度上防止了高频共模噪声，这是在DC/DC级中省略隔离和噪声抑制变压器时的一个关键事实。
 

图3：OBC在分相电网（根据图2）处的模拟波形，带有常规操作的DC/DC级，用于恒定uDCDCout，1/2产生60 Hz变化的电池电势VBatt,p和Vbatt,n
 
相反，如果以某种方式控制朝向M的对称DC/DC双级的拟议配置，以保持单个电池电势V_Batt,p和V_Batt,n恒定（图4），则不会产生相当大的60 Hz共模电流iCM = CCM dV_Batt,n /dt（图5）。该方法通过OBC内部DC/DC级预先补偿低频共模电压和电流，不再需要专用补偿装置。
 
图4显示了从开关OBC模型获得的美国分相运行时提出的共模补偿方法的仿真结果，该模型具有闭环电流和电压控制，从而实现恒定的电池电势。
 
因此，DC/DC输出电压u_DCDC,out,1和u_DCDC,out,2（此处未绘制）确实显示了补偿振荡中点电位V_M的60 Hz分量。
 
产生60 Hz电压分量所需的DC/DC级额外电流限制在î_L4/L5,Bu ≈ 1A峰值内≈ 1A（对于C3/4=1μF）。蓄电池电压U_Batt = V_Batt,p – V_Batt,n是恒定的（此处为470 V）。
 

图4：OBC在分相电网（根据图2）下的模拟波形，所提议的对称DC/DC双级为闭环控制，用于恒定电池电势V_Batt,p和V_Batt,n
 
图5根据模拟结果，比较了美国分相运行时无变压器OBC的定量结果。图5显示了具有常规输出电压控制的常规DC/DC级的泄漏电流和直流链路电压纹波。
 
相比之下，图5显示了所提出的对称DC/DC双级的泄漏电流和直流链路电压纹波，该双级为恒定电池电势控制，以补偿共模电压。
 
因此，泄漏电流大大降低，远低于3.5 mA的限值。直流链路电压纹波（60 Hz）也降低了37%。为了保持相同的纹波，直流链路电容可以减少大致相同的量。
 

图5：美国分相运行时无变压器OBC的模拟波形比较
（a） 采用常规DC/DC级和/或常规输出电压控制
（b） 采用对称DC/DC双级，控制电池恒电位
 
结论
 
OBC的切换模型仿真验证了所提出的方法：泄漏电流显著降低。在北美分相电网的关键运行时，直流链路电容器处的低频电压纹波也降低了约35%，有望使直流链路电容降低相同的量。
 
https://www.uni-paderborn.de/en/university/