Issuu on Google+

www.ijape.org                            International Journal of Automation and Power Engineering (IJAPE) Volume 2 Issue 4, May 2013 

The Key Technologies of Electric Vehicle  Charger  Xiangwu Yan, Bo Zhang, Xiangning Xiao  State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric  Power University, Changping District, Beijing 102206, China  *1

Xiangwuy@ncepu.edu.cn; 2adam166@163.com; 3 xxn@ncepu.edu.cn 

  Abstract 

falling  40%~50%  in  2020  from  2005.  So  energy  and  environment  will  be  common  challenges  for  the  international motor industry, and energy conservation  and  emissions  reduction  becomes  the  top  priority  for  our  country’s  auto  industry.  The  electric  vehicle  development  has  already  been  included  in  our  country’s twelfth five‐year plan for the auto industry. 

The  energy  and  environment  issues  are  common  challenges  facing  the  global  automotive  industry.  The  development  of  electric  vehicle  has  become  the  strategy  direction  of  China’s  automotive  industry  “Five”  plan.  The  emerging  electric  car  industry  also  is  full  opportunity  for  China’s  automotive  technology to catch up with developed countries. The electric  vehicle  charger  is  an  important  part  of  electric  vehicle,  the  technologies  of  advanced  DC/DC  converter,  active  power  factor  correction,  harmonic  suppression,  high  density  magnetic  integration,  balanced  current  of  parallel converter,  communication  between  charger  and  battery  management  system  (BMS)  and  fast  charging  are  the  keys  for  improving  response,  efficiency,  power  density,  dynamic  electromagnetic  compatibility  and  reducing  the  size  and  weight of electric vehicle. 

Electric vehicle is driven by rechargeable accumulators  or  other  energy  storage  devices,  so  electric  vehicle  itself  does  not  exhaust  detrimental  gas  which  will  pollute the atmosphere heavily. Even if we switch that  to emissions from power plants according to the power  consumption,  other  pollutants  reduce  dramatically  beside  sulfur  and  particulate  emissions.  What’s  more,  the  location  of  most  plant  is  far  away  from  densely  populated urban, which will do less damage to human  beings. As the electric power plants are immovable, it’s  more  convenient  to  carry  out  the  concentrated  disposition with relevant technology. On the other side,  electric  power  can  be  produced  by  variable  primary  energy,  such  as  Cause  we  can  get  power  from  varies  energy,  such  coal,  natural  gas,  water  power,  nuclear  power,  solar  power,  tidal  power,  etc,  which  can  reassure  people’s  concern  about  the  exhaustion  of  the  source  of  petroleum.  Electric  vehicles  still  can  make  full  use  of  the  surplus  power  during  power  consumption troughs to get battery charged overnight,  making  the  power  equipment  fully  used  and  increasing  the  economic  benefits  significantly.  Researches  show  that  the  energy  efficiency  of  using  equal amount of crude oil will be higher if crude oil is  used  to  produce  electricity  after  crude  refining  and  then use the produced electricity to charge batteries to  power  cars,  compared  with  the  way  that  crude  oil  is  used  to  produce  electricity  after  refining  into  gasoline  and  then  use  the  gasoline  power  cars.  Therefore  the  electric  vehicle  development  is  conducive  to  energy  saving and reduction of carbon dioxide emissions. 

Keywords  Electric  Vehicle;  Charger;  Power  Factor  Correction;  Active  Power  Factor Correction; Harmonic Suppression; Magenetic Integration 

Introduction Since the 1970s, the number of global vehicle increases  exponentially.  According  to  the  World  Energy  Organization’s  statistics  and  forecasting  of  the  demanded  energy’s  classification,  the  proportion  of  traffic  grow  up  from  45.5  percent  to  61.4  percent,  and  the  proportion  presents  an  ascending  trend  with  the  development  of  global  industrialization.  Since  1995,  the  proportion  of  oil  import  to  the  country’s  total  consumption  increases  rapidly,  accounting  for  more  than 50 percent in 2010, and it is supposed to be more  than  80percent  in  2020.  Among  the  imported  oil,  the  proportion of oil demanded by the transportation and  the petrochemical industry to the total oil consumption  increase  from  46  percent  in  2000  up  to  60  percent  in  2010  and  66  percent  in  2020.  The  global  warming  caused  by  greenhouse  gas  emissions  has  caused  the  great  concern  from  all  over  the  world.  That  is  China  burns  more  than  half  of  its  imported  oil  in  vehicles.  China  pledged  to  rein  in  its  carbon  dioxide  emissions 

210

Although  electric  vehicles  just  use  electrical  energy  in 

 

 


International Journal of Automation and Power Engineering (IJAPE) Volume 2 Issue 4, May 2013                            www.ijape.org 

stead  of  fossil  energy  formally,  electric  vehicles  are  becoming a new kind of electrical customers in essence;  to  be  more  exact,  they  are  classes  of  loads  storing  electricity.  Charger,  which  transfers  electrical  power  from  grid  to  electric  vehicles,  has  developed  into  the  on‐board charger and the off‐board charger because of  the movement characteristic of this new electric power  load. 

input  circuit,  including  dedicated  off‐board  charger,  dedicated charging station, universal charger, charging  station  used  in  public  places  and  so  on.  The  power,  volume and weight of off‐board charger are relatively  large  in  order  to  satisfy  varieties  of  batteries’  and  charge  modes’  requirements.  The  off‐board  charger  should  meet  the  following  technical  requirements:  (a)  meet the requirement of vehicles, consisting mainly of  high power density to reduce the space and the cost of  charging equipment, high efficiency to improve energy  efficiency  and  to  reduce  running  cost,  high  power  factor and low harmonics to minimize the detrimental  effects  to  grid;  (b)  meet  the  requirement  of  environment,  consisting  mainly  of  adopting  fully  sealed structure to improve waterproof and dustproof,  and  feasibility  for  users  use  requirements  at  different  temperatures;  (c)  meet  the  requirement  of  security,  such  as  electric  isolation,  over‐current,  over‐voltage  and  short  circuit  protection.  Therefore,  the  key  techniques for off‐board charger will be as follows: 

On‐board Charger  The  on‐board  charger  is  the  electrical  power  conversion  device  used  for  the  vehicle  battery,  which  installs  on  electric  vehicles  and  take  the  form  of  AC  input  circuit.  The  on‐board  charger’s  capacitance  is  usually  small  (3‐5kW)  with  the  limits  of  the  con  structure  of  vehicles  and  automobileʹs  load.  So  the  on‐board  charger  is  suited  to  vehicle  batteries  demanding  conventional  charging  with  small  ratio  current  and  long  time.  The  on‐board  charger  should  meet the following technical requirements: (a) meeting  the requirement of vehicles, consisting mainly  of  high  power  density  to  reduce  the  load’s  weight  and  size,  high efficiency to improve energy efficiency and to low  heat rejection, high power factor and low harmonics to  minimize  the  detrimental  effects  to  grid;  (b)  meeting  the  requirement  of  environment,  consisting  mainly  of  using  static  components  to  improve  earthquake‐resilient, adopting fully sealed structure to  improve  waterproof  and dustproof, and  feasibility  for  users  use  requirements  at  different  temperatures;  (c)  meeting  the  requirement  of  security,  such  as  electric  isolation,  over‐current,  over‐voltage  and  short  circuit  protection. Therefore, the key techniques for on‐board  charger will be as follows:  

High  efficiency  isolated  DC/DC  converter  technique; 

Single  phase  power  factor  correction  and  harmonic suppression technique; 

High density magnetic‐integration technique; 

The  property  to  adapt  charger’s  sealed  structure and thermal design under operating  condition; 

Communication  between  charger  and  battery  management system (BMS). 

High  efficiency  isolated  DC/DC  converter  technique; 

There  phases  power  factor  correction  and  harmonic suppression technique; 

Balanced  current  of  parallel  converter  technique;   

High density magnetic‐integration technique; 

Modules series‐parallel connection technique; 

The  study  on  fast‐charging  technique  and  its  applicability; 

Communication  between  charger  and  battery  management system (BMS). 

It can be seen that the technology perspective and the  emphases  are  not  exactly  same  when  we  design  the  on‐board  charger  and  the  off‐board  charger.  Below  is  the  further  elaboration  about  the  advanced  technologies of electric vehicle charger.  High Efficiency Isolated DC/DC Converter Technique The  theoretical  analysis  and  the  experience  indicated:  The volume and mass of electromagnetic devices, such  as  transformer,  inductance  and  capacitance,  are  inversely proportional to the square root of the power  supply frequency. So when we increase the frequency  from  50Hz  up  to  20  kHz,  improving  400  times,  electromagnetic  devices’  volume  and  mass  will  be  down to 5%~10% of the power frequency design value. 

Off‐board Charger  The  off‐board  charger  is  the  electrical  power  conversion  device  used  for  the  vehicle  battery,  which  is  installed  above  ground  and  take  the  form  of  AC 

 

 

211


www.ijape.org                            International Journal of Automation and Power Engineering (IJAPE) Volume 2 Issue 4, May 2013 

volume  and  size  further,  improve  converter’s  power  density  and  dynamic  performance,  and  improve  converter’s  electro  magnetic  compatibility.  In  recent  years,  the  study  on  isolated  soft  switch  DC/DC  converter  arouse  people’s  concern  and  attention  increasing,  and  several  typical  isolated  soft  switch  DC/DC converters appeared. 

High  frequency  which  can  make  power  source  equipment  with  high  efficiency,  low  noise,  small  size,  good  dynamic  and  low  cost  is  the  inevitable  developing direction.      DC/DC  converter  can  be  classified  as  several  topologies  according  to  its  different  operating  principle, such as forward converter, flyback converter,  push‐pull converter and bridge converter. Symmetrical  flyback  converter  is  very  suitable  for  low  power  applications  for  its  simple  structure,  low  cost,  good  transient  response  and  other  advantages.  Pull‐push  converter  has  a  simple  structure,  however,  its  switch  tubes  will  bear  double  input  voltage  combining  with  pulse  peak  voltage  caused  by  the  leakage  inductance  of  high‐frequency  power  transformer.  Bridge  DC/DC  converter, which can realize the needed high‐ratio and  meet  requirements  for  various  power  levels,  is  suited  to be used in large power occasion. 

Active Snubber DC/DC Converter  Active  snubber  DC/DC  converter  can  achieve  zero‐voltage‐transition  or  zero‐current‐transition  through adding auxiliary active snubber into converter,  and  what  they  have  in  common  is  the  same  way  of  generating  PWM  pulse.  The  active  switch  and  auxiliary  resonant  network  introduced  additional  just  work a short time before main switches turn on or off,  thus  can  make  main  switches  work  in  soft‐switching  mode,  reducing  the  electrical  stress  of  components.  The disadvantage of these converters is that they need  the same amount auxiliary switches as main switches,  and  that  auxiliary  switches  usually  work  unsatisfactory  in  hard‐switching  mode  and  soft‐switching mode. The half‐bridge DC/DC converter  with active snubber is shown in Fig.1. 

In  the  traditional  PWM  control  mode,  the  switch  devices  of  DC/DC  converter  work  in  hard‐switching  mode. That is to say, when the switching devices open,  the  voltage  of  switching  devices  has  a  process  of  decline  instead  of  step  change.  At  the  same  time,  the  current  of  switching  devices  also  has  a  process  of  increase  not  increase  up  to  the  load  current  immediately.  During  that  time,  current  and  voltage  have  a  crossover  region,  which  can  generate  turn‐on  loss. Current and voltage still have a crossover region  to  generate  turn‐off  loss  when  breaking  the  switching  devices.  The  switching  loss  of  switching  devices  in  each  switching  period  is  constant  under  certain  conditions.  The  total  switching  loss  is  proportional  to  the  switching  frequency,  thus,  the  higher  switching  frequency,  the  larger  switching  loss,  the  lower  transformer’s efficiency. The existence of the switching  loss limits the increase of the converter power density,  and  limits  the  miniaturization  and  lightweight  of  the  converter  at  the  same  time.  In  addition,  the  switch  stress  of  switching  devices  will  increase  while  switching tubes work in hard‐switching mode, causing  high di/dt and dv/dt, resulting in large electromagnetic  interference  (EMI),  bringing  electromagnetic  pollution  of the environment. 

Cr1

VS1

Lr

Cr2

VS4

VS2

(a)  Cr1

U in

Cr2

VD 4

VD1

VS1

CS VS3

Lk

VD3

VS4 VS 2

VD 2

(b)  FIG. 1 ACTIVE SNUBBER HALF‐BRIDGE DC/DC CONVERTER

Active Clamp DC/DC Converter  Active  clamped  technique  is  used  widely  over  recent  decades. By joining with active clamped branch, it can  effectively  clamp  the  main  switch’s  voltage  after  turn‐off, remove the voltage overshoot and oscillation,  reduce  devices’  voltage  press,  and  achieve  soft  switching  in  certain  condition  [12],[13],[14],[15].  The  active clamp full‐bridge DC/DC converter is shown in  Fig. 2. 

Improve DC/DC converter do good to the voltage and  current  press  of  switching  devices,  leaving  switching  devices working in soft���switching mode, so that it can  reduce  switching  loss,  improve  the  converter’s  efficiency,  give  the  probability  to  converter’s  high  frequency  conversion,  narrow  down  the  converter’s 

212

VS3

U in

Lf VS5

Csnub

VS1

AC 165~277 V

C

VS2

U battery

N:1

VS4

VS2

DC 200~430 V

 

FIG.2 AVTIVE CLAMP FULL‐BRIDGE DC/DC CONVERTER 

 

 


International Journal of Automation and Power Engineering (IJAPE) Volume 2 Issue 4, May 2013                            www.ijape.org 

traditional  full‐bridge  phase‐shift  zero  voltage  switched PWM  converter and its  typical  orthography.  An  improved  full  bridge  phase‐shift  ZVS‐PWM  DC/DC converter which can achieve ZVS in the range  of any load condition is shown in Fig. 4. 

Full‐Bridge Zero‐Voltage‐Switch PWM Converter  Full‐bridge  zero‐voltage‐switch  PWM  converter  adopts  constant‐frequency  working  pattern,  while  left  and  right  upper  bridge  arms  work  in  complementary  way by 180°, left and right lower bridge arms work in  complementary  way  with  PWM  pulse.  The  output  voltage  or  current  can  be  changed  by  changing  the  pulse  width  of  lower  bridge  arms.  Full‐bridge  zero‐voltage‐switched PWM DC/DC converter use the  energy  reserved  in  power  inductor  or  the  leakage  inductance  of  the  high  frequency  isolated  transformer  to  realize  bridge  arms’  zero  voltage  switching  (ZVS).  However,  the  converter  has  large  internal  circulation  energy,  which  will  effect  the  improvement  of  converter’s  efficiency  of  energy  transfer,  especially  in  light load the converter can hardly achieve soft switch.  Full‐bridge  zero‐voltage‐switch  PWM  converter  is  shown as Fig. 3. 

Quasi‐Resonant and Resonant DC/DC converter  Lf

VD r1

VQ 2

VQ1

Cf

VD1

U in

Cb

Lik

RL

Tr

VD 2

ip

VQ3

VQ 4

VD r2

(a)  VS1

VD1

VDS1

VS2

VDS1

C2

VS3

L0

N :1:1

U in

VD2

C1

VS4

VD3 VD 4

L0

C0

RL

(b) VQ1

Ip I1

VQ 2

VD1

U in

0

VQ3

VQ 4

VD3

Cf

FIG. 4 FULL‐BRIDGE PHASE‐SHIFT ZVS‐PWM DC/DC  CONVERTER 

i

t3 t1 t2

t4

t5 t6

VD 4

VD1 VD1 VQ2VD2

RL

t

Feed  LC  resonance  circuit  into  the  PWM  switching  circuit,  making  switching  devices’  parasitic  capacitance  and  circuit’s  inductance  become  one  part  of  the  resonant  tank,  placing  the  capacitance  of    resonant  in  parallel  with  switching  device.  When  switches  are  turned  on,  the  capacitance  resonant  with  the  series  inductance,  the  capacitance  voltage  rise  slowly  according  to  sine  wave,  and  the  voltage  of  switching device appearing oscillation becomes partial  sine wave. While the capacitance voltage falls to zero,  switches  dissolve  off‐state  into  on‐state  and  achieve  the  zero‐voltage‐switching,  avoiding  the  power  loss  and  voltage  spike  while  switching  device  switches.  The  combination  of  LC  resonance  circuit  and  PWM  switches  is  called  resonant  switch,  and  this  kind  of  converter  is  called  resonant  converter.  While  converter’s  resonant  time  only  occupies  a  part  of  the  switching  period  and  the  rest  of  working  time  is  in  non‐resonance  state,  the  resonant  converter  is  also  called  quasi‐resonant  converter.  LC  series  resonant  converter is the simplest and most prevalent converter  speaking  from  the  working  principle.  Its  resonant  inductance and resonant capacitance are series‐wound,  consisting  of  the  resonant  network,  and  the  converter‐load network is in parallel with the resonant  network.  In  this  circuit  structure,  resonant  network  and breaking load consist of a diverter. The resistance  of resonant circuit will be changed if converter’s pulse  frequency modulation is changed, and the load voltage  will  be  changed  consequently.  The  application  of 

uAB

Lf

us

I2

VD 2

Lik

0

VQ1 VQ4

VQ 4VD 2 VQ3 VQ 2 VD3VD3

us

t

FIG. 3 FULL‐BRIDGE ZERO‐VOLTAGE‐SWITCH PWM  CONVERTER 

Full‐Bridge  Phase‐Shift  Zero‐Voltage‐Switched  PWM  Converter  Converter’s  upper  and  lower  bridge  arms  work  in  complementary  way  by  180°(taking  the  turn‐on  time  into  consideration  properly  ).  It  can  adjust  the  output  voltage  or  current  by  changing  the  overlapping  commutation angle of converter’s left and right bridge  arms.  Bridge  DC/DC  converter  can  achieve  soft  switching  easier  by  phase  shift  control.  The  converter  has the virtue of simple control and constant frequency  control,  and  it  can  achieve  soft  switching  without  auxiliary  devices.  The  current  and  voltage  press  are  relatively  low,  so  the  converter  is  suitable  for  high  voltage  occasion.  The  converter  use  the  energy  reserved  in  power  inductor  or  the  leakage  inductance  of  the  high  frequency  isolated  transformer  to  realize  bridge  arms’  zero  voltage  switching  (ZVS).  This  kind  of converter also has large internal circulation energy,  and the converter can hardly achieve soft switching in  light load. But by taking some improvement measures,  the  working  range  of  the  lagging  leg  can  be  enlarged  and  the  reverse  recovery  loss  can  be  minimized.  The 

 

 

213


www.ijape.org                            International Journal of Automation and Power Engineering (IJAPE) Volume 2 Issue 4, May 2013 

electromagnetic compatibility. 

resonance  can  efficiently  eliminates  the  overlapping  phenomenon  between  converter’s  voltage and  current  generated  during  the  switching  devices’  switching  process,  and  reduce  the  switching  device’s  switching  loss.  However,  this  converter  demands  working  with  variable frequency, making the optimization design of  the  converter’s  filter  and  closed‐loop  controller  difficult. What’s more, there exists defect in converter,  such  as  large  current  and  voltage  press.  At  present,  most  resonant  DC/DC  converters  are  mainly  used  for  low to medium power conversion applications. 

Power Factor Correction and Harmonic Suppression Technique The Definition of Power Factor  Power  factor  (  )  is  the  ratio  of  the  AC  input  active  power  (P)  to  the  input  apparent  power  (S),  which  is  expressed as  PF 

LLC Resonant Converter 

Where,  I1  is  the  root‐mean‐square  of  the  input  fundamental  current,  I  is  the  root‐mean‐square  of  the  I input  current,    1 is  the  current  distortion  I coefficient,  cos    is  the  displacement  factor  between 

LLC resonant converter is generated by improving the  traditional  series  or  parallel  LC  resonant  converter.  It  not  only,  but  also  can  make  the  resonant  tank  current  change with load by way of variable frequency control.  The converter can achieve ZVS operating modal in full  range from no load to full load, reducing the switching  loss  efficiently,  decreasing  the  transient  overvoltage  and  overcurrent,  overcoming  the  puzzle  that  zero‐voltage‐switching  method  or  phase‐shifted  control  and  zero‐voltage  switching  PWM  switching  method  can  hardly  realize  soft  switching  for  the  lagging  leg,  achieving  ZCS  for  the  secondary  rectifier  diode. So the resonant converter topology is ideal and  of great application value. The disadvantage is that the  resonant  process  is  relatively  complicated,  and  the  characteristic  that  the  converter’s  working  station  is  closely related to load increase the difficulty of design  and  control.  LLC  resonant  full‐bridge  converter  is  shown in Fig. 5.  VT1

VT3

Lr

fundamental voltage and fundamental current.  It  can  be  seen  that  power  factor  is  up  to  the  current      distortion  coefficient     and  displacement  factor  cos  .  The  electrical  equipment  that  has  low  power 

factor  against  the  full  use  of  the  grid  transmitted  power, and the harmonic content of the device’s input  current  is  higher,  while  high  harmonic  will  produce  conducted  interference  and  radiated  interference,  affecting the security and economic operation of other  devices,  such  as  producing  additional  power  loss  to  generator  and  transformer,  causing  interference  and  bringing  malfunction  or  miscalculation  to  relay,  automatic  protective  device,  electronic  computer  and  communication  equipment.  So  it  has  been  a  global  issue  of  common  concern  about  how  to  reduce  and  prevent  current  harmonic’s  pollution  on  grid  and  restrain the electromagnetic interference. International  Electrotechnical  Commission  (IEC)  and  Institute  of  Electrical and Electronic Engineers (IEEE) both set up a  special working group and enacted harmonic standard  (IEC61000‐3‐2  and  IEEE  519‐1992)  of  power  system  and electro technical products. The two standards have  had the force of law since 1996. China already enacted  harmonic standard GB/T 14549–1993 in 1993. 

VD5

Cr

Cf

Tr

RL

Lm

U in

VT2

VT4

VD 6

FIG. 5 LLC SERIES RESONANT FULL‐BRIDGE DC/DC  CONVERTER 

From  the  above  comprehensive  analysis  of  various  typical  power  converters’  advantages  and  disadvantages  and  the  understanding  of  the  domestic  and  international  research’s  actuality  and  the  development trend, it is easy to see that phase‐shifted  zero‐voltage  switching  PWM  DC/DC  full‐bridge  converter  and  LLC  resonant  DC/DC  converter  are  the  hot  research  areas.  Because  they  can  achieve  high‐efficiency,  isolated  DC/DC  power  conversion,  improve  converter’s  conversion  efficiency,  power  density  and  dynamic  performance,  reduce  converter’s  volume  and  weight,  and  improve  converter’s 

214

P U1 I1 cos  I1   cos    cos              (1)  S U1 I I

The  Harmonic  Problem  of  High‐frequency  Switching  Charging Supply  The  first  stage  of  high‐frequency  switching  charging  supply  usually  adopts  single‐phase  diode‐bridge  rectifier  or  there‐phase  bridge  rectifier.  In  normal  operation,  the  input  current  will  distort,  and  the  phenomenon  will  be  worse  along  with  the  increasing  of the load. The input current distort into peaked wave, 

 

 


International Journal of Automation and Power Engineering (IJAPE) Volume 2 Issue 4, May 2013                            www.ijape.org 

D1  will  bring  over  rate  current  strike  to  Q1  at  maximum  power,  which  can  generate  large  firing  current  press  and  switching  loss,  causing  Q1  useless or damage easily. 

containing abundant harmonic component.  Power  Factor  Correction  and  Harmonic  Suppression  Technique  The power factor and harmonic suppression technique  of  high‐frequency  switching  charging  supply  system  usually adopt passive power factor correction (PFC) or  active power factor correction (APFC). The LC filter is  installed  on  rectifier’s  AC  side  or  DC  side  in  the  PFC  method,  to  improve  power  factor  and  reduce  the  current  harmonic.  Though  the  method  is  simple,  the  electric  circuit  is  big  and  bulky  ,  and  not  suitable  for  some  occasions,  such  as  electric  vehicle  charger.  Because  the  compensation  characteristic  will  be  easily  affected  by  the  change  of  power  line  impedance  and  load,  and  it  is  easy  to  produce  current  resonance  and  voltage  resonance.  So  for  a  charging  power  supply  whose load is changing, it is difficult to design a filter  that can cover the whole load range. The APFC circuit  consists  of  high‐frequency  inductance,  capacitance,  power  switches  and  other  devices,  which  can  convert  AC mains to high direct voltage about 380V. The APFC  system  has  the  features  of  small  volume,  light  weight  and high efficiency. It can make the input voltage and  current  close  to  sine  wave,  and  filter  out  high‐frequency  harmonic  in  passive  filtering  method  after  transferring  from  low  harmonic  component.  APFC  can  make  dynamic  tracking  compensation  for  the  changing  harmonic,  and  its  compensation  characteristic  is  not  influenced  by  power  grid  interconnection and external load, and its power factor  can reach up to 98%, but its cost is relatively high. The  Basic  principle  diagram  of  traditional  APFC  is  shown  in Fig. 6.  L1 u

VS1

2) The problem of spine ripple noise  The reverse recovery of diode D1 also brings spine  ripple noise to input current and voltage. Through  the  lasting  time  of  spine  ripple  noise  is  short,  its  peak value is significantly larger than the common  ripple  noise,  and  it  will  bring  electromagnetic  interference,  thus  affecting  the  normal  work  of  other power‐consuming devices.  B.  A.  Miwa  discuss  the  method  about  solving  the  problems  like  the  current  rush  in  three  ways,  that  is  separately  adopt  new  devices  containing  high‐voltage  silicon  carbide  schottky  diode,  inductance  with  center  tap and active snubber soft switching technique.  L. Balogh has already raised an interleaved paralleled  APFC structure in the early 1990s. The circuit topology  has  high  efficiency,  small  input  current  ripple,  and  small  current  stress  of  the  many  advantages,  so  it  is  suitable  for  medium  to  high  power  applications.  The  interleaved  paralleled  APFC  technique  has  achieved  rapid  development  in  recent  years,  and  it  has  a  good  development  prospect  in  the  application  of  high  frequency power supply. The main power topology of  interleaved paralleled APFC circuit is shown in Fig. 7. 

VD1

VD5

VD 6

VS1

uin VD3

VS2

C

VD 4

FIG. 7 THE MAIN POWER TOPOLOGY OF INTERLEAVED  PARALLELED APFC CIRCUIT 

VD1 Cd

R1

Busse Alfred、HoltzJoachim first proposed the control  stategy for three‐phase full‐bridge PWM filter and the  amplitude and phase of grid current based on turn‐off  devices  in  1982,  and  they  achieved  the  sinusoidal  current  control  over  unity  power  factor  of  current‐source  PWM  rectifier  grid  side  .  Akagi  Hirofmni accompany with others proposed the control  strategy  for  reactive  power  compensation  based  on  PWM  filter  topology  in  1984,  which  is  the  early  thought  of  voltage‐source  PWM  filter  design.  By  the  1980s,  the  research  level  of  the  PWM  filter  was  elevated  to  new  height  after  putting  forward  the  continuous, discrete dynamic mathematical model and  the control strategy of PWM filter based on coordinate  transformation. 

FIG. 6 THE BASIC PRINCIPLE DIAGRAM OF TRADTIONAL  APFC 

The traditional APFC still has many applied problems  when meeting the active power factor correction of 3‐5  kW or more power:  1) The Problem Caused by the Reverse Recovery of  Diode D1  When  the  inductance  L1  is  kept  in  continuous  current mode, the switching frequency of switching  tube  Q1  is  very  high,  and  the  DC  side  output  voltage will be up to 400V. The reverse recovery of 

 

VD 2

L1 L2

 

215


www.ijape.org                            International Journal of Automation and Power Engineering (IJAPE) Volume 2 Issue 4, May 2013 

PWM  rectifier  is  always  being  one  of  the  research  hotspots  in  electrical  technology  academic.  With  the  development of the PWM rectifier technique, the study  on  related  applications  based  on  PWM  filter  topology  and  control  strategy  also  develops,  such  as  active  power filter, superconducting magnetic energy storage,  active current transmission, high voltage direct current  transmission, unified power flow control and the like.  The  application  of  these  techniques  advanced  the  progress  and  perfection  of  PWM  rectifier  and  its  control  technique.  The  outstanding  features  of  PWM  rectifier are as follows:    

frequency power supply to realize energy storage and  conversion,  filtering  and  electrical  isolation.  The  volume, weight and loss of the magnetic element also  occupy  a  significant  proportion  in  the  complete  machine.  According  to  some  statistics,  the  weight  of  magnetic  element  usually  account  for  30%‐40%  of  the  total  weight,  and  the  volume  account  for  20%‐30%  of  the  total  volume.  So  in  order  to  improve  supply’s  power density, efficiency and output quality, it is need  to  do  further  study  on  how  to  reduce  the  volume,  weight  and  loss,  and  magnetic‐integration  technique  can  effectively  reduce  the  volume,  weight  and  loss  of  magnetic element. 

Grid  side  current  closes  to  sinusoidal  wave  with    low harmonic contents 

The  grid  side  power  factor  can  be  controlled,  such as unity power factor control, and taking  part  in    the  reactive  power  compensation  of  common  connection  point(PCC)  as  needed,  absorbing or issuing reactive power 

Voltage‐source  full‐bridge  PWM  rectifier  can  achieve  bi‐directional  energy  transfer  and  implement  automatic  transfer  based  in  keeping  the  direct  voltage  constant  without  change the circuit topology. 

Fast dynamic transmission response ability. 

Magnetic‐integration  technique  is  just  wind  two  or  more  discrete  magnetics  in  a  pair  of  magnetic  cores,  and  achieve  concentration  from  the  structure.  The  concentrated  magnetic  elements  are  called  integrated  magnetics.  The  technique  can  effectively  reduce  the  volume  and  loss  of  magnetic  elements,  and  improve  the output dynamic performance, using certain bound  modes  and  rational  parameters  design.  For  example,  Cheng  puts  forward  the  method  of  achieving  decoupling  integration  by  offsetting  coupled  effect,  and  shows  the  integration  among  inductance  and  inductance,  induction  and  transformer,  transformer  and transformer. Cheng W puts forward the method of  achieving  decoupling  integration  by  providing  low  reluctance magnetic circuit, and shows the integration  method of two inductances in interleaved circuit, as is  shown in Fig. 9. Bo Yang puts forward the method of  applying  the  magnetic‐integration  technique  to  the  LLC  resonant  converter,  to  achieve  the  magnetic  integration  between  resonant  inductance  and  transformer. 

It  is  expected  to  has  quiet  good  development  foreground  if  PWM  rectifier  is  applied  to  high  frequency power supply. Fig. 8 (a), (b), (c) respectively  shows the topology of single‐phase half‐bridge rectifier,  single‐phase  full‐bridge  rectifier  and  three‐phase  unit  power factor rectifier.  VS1 L

C1

VD1

VS1 L

VS3 VD1

VD3

R

C

R

High Density Magnetic-Integration Technique

Some  papers  review,  exposition  and  summary  systematically  on  high  density  magnetic‐integration  technique,  such  as  the  development  history  of  magnetic‐integration  technique,  the  modelling  approach  of  equivalent  magnetic  component  model,  the character of multiple magnetic circuit, the obtain of  magnetic  core,  the  universal  method  of  magnetic  decoupling  integration,  the  typical  application  of  magnetic  integration,  the  characteristics  of  magnetic‐integration  technique,  the  pattern  of  magnetic  integration,  the  limiting  factors  of  magnetic‐integration  technique’s  application,  the  development  tendency  of  magnetic‐integration  technique and the like. 

The  magnetic  element,  including  inductance  and  transformer, is the important function element for high 

It  is  not  difficulty  to  predict  that  magnetic‐integration  technique  is  the  key  technology  of  high‐frequency 

VS2

C2

VD 2

VS2

VS4 VD 2

VD 4

(a)SINGLE‐PHASE HALF                      (b)SINGLE‐PHASE FULL    BRIDGE CIRCUIT                                      BRIDGE CIRCUIT 

L

VS1

VS3 VD1

VS5 VD3

VD5 C1

VS2

VS4 VD 2

VS6 VD 4

R

VD 6

(c)THREE‐PHASE UNIT POWER FACTOR RECTIFIER   

FIG. 8 THE MAIN TOPOLOGY OF UNIT POWER FACTOR  RECTIFIER   

216

 

 


International Journal of Automation and Power Engineering (IJAPE) Volume 2 Issue 4, May 2013                            www.ijape.org 

switching  supply  system,  while  the  magnetic‐integration  technique  is  applied  in  high‐frequency switching supply system, it will reduce  the  volume,  weight  and  loss  of  the  supply  system  effectively, and obviously improve the power density,  efficiency and output quality. 

improve  electromagnetic  compatibility,  the  key  techniques  are  advanced  DC/DC  power  conversion  technique,  high  density  magnetic‐integration  technique,  balanced  current  of  parallel  converter  technique, fast‐charging technique and communication  between  charger  and  battery  management  system  (BMS). 

Balanced  current  of  parallel  converter  technique,  fast‐charging  technique,  communication  between  charger  and  battery  management  system  (BMS)  and  the  like  are  all  significant  techniques  for  ensuring  the  high performance of electric vehicle charger, which are  not been described because of the space limitation.  1

ACKNOWLEDGMENTS

This work was supported in primarily by the National  High‐tech  R&D  Program  (863  Program)  of  China  under Grant 2011AA11A279, in part by the Key Project  of  the  National  Research  Program  of  China  under  Grant  2011BAG02B14,  and  in  part  by  the  National  Natural Science Foundation of China. 

2

1

2 1

2

REFERENCES 

Akagi  1

Hirofumi. 

“Instantaneous 

Reactive 

Power 

2 1

Compensators  Comprising  Switching  Devices  Without 

2

Energy  Storage  Components.”  IEEE  Transactions  on  Industry Applications 5 (1984): 625‐630.  B  A  Miwa,  D  M  Otten,  M.  F.  Schlecht.  “High  Efficiency 

1

2

Power Factor Correction Using Interleaving Techniques.”  1

Paper  presented  in  Proc.  IEEE  Appl.Power  Electron. 

2

(APEC) Conf., February 23‐27, 1992. 

(a)THE INTEGRATION OF TWO DISCRETE INDUCTANCES 

Bhat  Ashoka  K  S,  Venkatraman,  Ramakrishnan.  “A  soft‐switched full‐bridge single‐stage AC‐to‐DC converter  with  low‐line‐current  harmonic  distortion.”  IEEE  Transactions  on  Industrial  Electronics  52  (2005):  1109‐1116.  Bo  Yang,  Rengang  Chen,  Lee  F  C.  “Integrated  Magnetic  for  (b)THE MAGNETIC FLUX OF THE TWO INDUCTANCES 

LLC  Resonant  Converter.  APEC.”  Seventeenth  Annual 

FIG. 9 INTEGRATION OF DUAL‐INTERLEAVED CIRCUIT’S  INDUCTANCE 

IEEE  Applied  Power  Electronics  Conference  and  Exposition, March 10‐14, 2002. 

Conclusion

B Lu, W Liu, Y Liang, F C Lee, J D van Wyk. “Optimal design  methodology  for  LLC  resonant  converter.”  Paper 

The  electric  vehicle  development  has  already  been  included  in  our  country’s  twelfth  five‐year  plan,  and  the electric vehicle strategic emerging industry provide  a  opportunity  for  China  automotive  technology  to  pursuit  developed  countries’  technology.  The  infrastructure  construction  for  electric  vehicles  is  an  important  part  which  will  affect  electric  vehicles’  development.  Among  these  techniques,  which  can  improve  switching  efficiency,  power  density  and  dynamic  performance  of  electric  vehicle  charging  devices,  and  reduce  their  volume  and  weight,  and 

 

presented at Proc. IEEE APEC, August 14‐16, 2006.  B  Yang,  F  C  Lee,  A  J  Zhang,  G  Huang.  “LLC  Resonant  Converter  for  Front  end  DC/DC  Conversion.  Paper  presented In Proc. IEEE APEC, March 10‐14, 2002.  Cai  Xuansan,  Gong  Shaowen.  “High  Frequency  Power  Electronics. Beijing: Science Publishing House, 1993  Cheng,  D  K  W,  Leung  Pong  Wong,  Yim‐Shu  Lee.  “Design  modeling and analysis of integrated magnetics for power  converters.”  2000  IEEE  31st  Annual  Power  Electronics 

 

217


www.ijape.org                            International Journal of Automation and Power Engineering (IJAPE) Volume 2 Issue 4, May 2013 

2010. 

Specialists Conference, June 22‐23, 2000.  Chen  Jian.  “Power  Electronic  Conversion  and  Control 

Guan‐Chyun  Hsieh,  Jung‐Chien  Li,  Ming‐Huei  Liaw, 

technique.” Beijing: Higher Education Press, 2002. 

Jia‐Perng  Wang,  Tsai‐Fu  Hung.  “A  study  on  full‐bridge 

Chen  Liangliang,  Zhang  Peipei,  Zhou Bin. “Development  of 

zero‐voltage‐switched  PWM  converter:  design  and 

Charging  Module  of  Off‐board  Charger  for  Electric 

experimentation.” Paper  presented  at Proceedings of the 

Vehicle.” Automation of Electric Power Systems 35 (2011): 

IECON  ʹ93,  International  Conference  on  Industrial 

81‐85. 

Electronics, November 15‐19, 1993. 

Chen  Qianhong.  “Research  on  the  Application  of  the 

H  A  C  Braga,  I  Barbi.  “A3‐kW  Unity‐power‐factor  Rectifier 

Magnetic‐Integration  Techniques  in  Switching  Power 

Based  on  a  Two‐cell  Boost  Converter  Using  a  New 

Supply.  Nanjing:  Nanjing  University  of  Aeronautics  and 

Parallel‐connection  Technique.”  IEEE  Trans.  Power 

Astronautics, 2001. 

Electron. 14 (1999): 209–217. 

Chen  Qianhong,  Ruan  Xinbo,  Yan  Yangguang.  “The 

Hua    G, Lee  F  C, Jovanovic M  M. “An improved full‐bridge 

Application  of  the  Magnetic‐Integration  Techniques  in 

zero‐voltage‐switched  PWM  converter  using  a  saturable 

Switching  Power  Supply.”  Transactions  of  China 

inductor.”  Transactions  on  Power  Electronics  8  (1993):   

Electrotechnical Society 19 (2004): 1‐8. 

530‐534. 

Chen  W,  Lee  F  C,  Zhou  X.  “Integrated  Planar  Inductor 

Jangwanitlert  A,  Olejniczak  K  J,  Balda  J  C.  “An  improved 

Scheme for Multimodule Interleaved Quasi  Square‐wave 

zero‐voltage and zero‐current‐switching PWM full‐bridge 

(QSW)  DC/DC  Converter.”  IEEE‐PESC,  June  27‐July  1, 

DC‐DC  converter.”  Paper  presented  at  the  29th  Annual 

1999. 

Conference  of  the  IEEE  Industrial  Electronics  Society, 

Chen  Zhixin,  Wang  Xiaojian.  “Research  on  Electric  Vehicles 

November 2‐6, 2003. 

Industrial  Development  Strategy  in  China.”  Shanghai 

J  G  Cho,  G  H  Rim,  F  C  Lee.  “Novel  zero‐voltage  and 

Energy Conservation 8 (2010): 1‐6. 

zero‐current‐switching  full‐bridge  PWM  converter  using 

C Jung  Goo,  J A Sabate,  H Guichao.  “Zero voltage and zero 

a simple auxiliary circuit.” IEEE Transactions on Industry 

current  switching  full  bridge  PWM  converter  for  high 

Applications, 35 (1999): 15‐20. 

power  applications.”  IEEE  Transactions  on  Power 

Jinhaeng  Jang,  Minjae  Joung,  Seokjae  Choi,  Youngho  Choi, 

Electronics 11(1996): 622‐628. 

Byungcho  Choi.  “Current  Mode  Control  for  LLC  Series 

D  M  Sable  and  F  C  Lee.  “The  operation  of  a  full‐  Bridge 

Resonant  dc‐to‐dc  Converters.”  Paper  presented  at 

zero‐voltage‐switched PWM converter.”  Paper  presented 

Twenty‐Sixth  Annual  IEEE  Applied  Power  Electronics 

at Proc. VPEC, 1989. 

Conference  and  Exposition  ‐  APEC  2011,  March  6‐11, 

Duarte, Cláudio Manoel C, Barbi Ivo. “An improved family of 

2011. 

ZVS‐PWM  active‐clamping  dc‐to‐dc  converters.”  IEEE 

L. Balogh, R Redl. “Power‐factor Correction with Interleaved 

Transactions on Power Electronics, 17 (2002):1‐7. 

Boost Converters in Continuous‐inductor‐current Mode.” 

Du  Shaowu,  Zhong  Anming.  “The  Development  and  Prospect 

of 

Magnetic‐Integration 

Paper  presented  in  Proc.  IEEE  Appl.Power  Electron. 

Technique.”   

(APEC) Conf., March 7‐11, 1993. 

High‐Technology & Industrialization 8 (2009: 85‐88. 

Lee F C, Shuo Wang, Pengju Kong, Chuanyun Wang, Dianbo 

F  C  Lee,  J  D  van  Wyk,  D  Boroyevich,  G  Lu,  Z  Liang,  P 

Fu.  “Power  Architecture  Design  with  Improved  System 

Barbosa.  “Technology  Trends  Toward  A  System 

Efficiency,  EMI  and  Power  Density.”  Paper  presented  at 

in‐a‐module  in  Power  Electronics.  Circuits  and  Systems 

2008 IEEE Power Electronics Specialists Conference, June 

Magazine 2 (2002): 4‐22. 

15‐19, 2008. 

FuZen  Chen,  Maksimovic  D.  “Digital  Control  for  Efficiency 

Mao,  Hong,  Deng  Songquan,  Abu‐Qahouq  Jaber  A,  Wen 

Improvements in Interleaved Boost PFC Rectifiers.” 2010 

Yangyang,  Batarseh  Issa.  “An  Active‐Clamp  Snubber  for 

Twenty‐Fifth  Annual  IEEE  Applied  Power  Electronics 

Isolated 

Conference and Exposition ‐ APEC 2010, February  21‐25, 

presented  at  the  29th  Annual  Conference  of  the  IEEE 

218

 

Half‐bridge 

DC‐DC 

Converters.” 

Paper 

 


International Journal of Automation and Power Engineering (IJAPE) Volume 2 Issue 4, May 2013                            www.ijape.org 

Industrial Electronics Society, November 2‐6, 2003. 

Energy  Conversion  Congress  and  Exposition  (ECCE),  Delft, August 25‐27, 2010. 

Ma  Yu,  Wu  Xinke,  Xie  Xiaogao,  Chen  Guozhu,  Qian  Zhaoming.  “A  new  ZVS‐PWM  buck  converter  with  an 

Xiaodong  Sun,  Xuansan  Cai.  “A  novel  soft‐switching  PWM 

active clamping cell.” Paper  presented  at Proceedings of 

converter  with  active  energy  recovery  snubber.”  Paper 

the  33rd  Annual  Conference  of  the  IEEE  Industrial 

presented  at  Third  International  Power  Electronics  and 

Electronics Society,    November 5‐8, Taiwan, 2007. 

Motion Control Conference, August 15‐18, 2000. 

Nussbaumer  T,  Raggl  K,  Kolar  J  W.  “Design  guidelines  for 

Xinbo  Ruan,  Yangguang  Yan.  “A  novel  zero‐voltage  and 

interleaved  single‐phase  boost  PFC  circuits.”  IEEE 

zero‐current‐switching  PWM  full‐bridge  converter  using 

Transactions  on  Industrial  Electronics  56  (2009): 

two  diodes  in  series  with  the  lagging  leg.”  IEEE 

2559‐2573. 

Transactions on Industrial Electronics 48 (2001): 777‐785. 

R  Giral,  L  M  Salamero,  S  Singer.  “Interleaved  Converters 

Xu  Liping,  Wang  Zhongyi,  Gu  Shenhui.  “Research  of 

Operation  Based  on  CMC.”  IEEE  Trans.  Power  Electron. 

Equivalent  Circuit  Model  of  Magnetic  Component  in 

14 (1999): 643–652. 

Magnetic  Integration  Technology.”  Journal  of  Xi’an 

Ruan Xinbo, Yan Yangguang. “The soft‐switching techniques 

Jiaotong University 39 (2005): 1106‐1110. 

for  DC  switching  power  supply.”  Beijing:  Science  Press, 

Yungtack  Jang,  Jovanovic  M  M,  Yu‐Ming  Chang.  “A  new 

2000. 

ZVS‐PWM  full‐bridge  converter.”  IEEE  Transactions  on 

Sabate  J  A,  Vlatkovic  V,  Ridley  R  B,  Lee  F  C,  Cho  B  H. 

Power Electronics 18 (2003): 1122‐9. 

“Design  considerations  for  high‐voltage  high‐power 

Zhu 

full‐bridge zero‐voltage‐switched PWM converter.” Paper 

Y, 

Daohong 

Ding. 

“Zero‐voltage‐ 

and 

zero‐current‐switched  PWM  DC‐DC  converters  using 

presented  at  Fifth  Annual  Applied  Power  Electronics  Conference  and  Exposition.  Conference  Proceedings, 

active  snubber.  Source:  IEEE  Transactions  on  Industry 

March 11‐16, 1990. 

Applications 35 (1999): 1406‐1412.    Zhang Yanjun, Xu    Dehong, Chen    Min, Han Yu, Du Zhong. 

W  A  Tabisz,    Gradzki,  F  C  Lee.  “Zero‐voltage‐switched  Converter 

“LLC  Resonant  Converter  for  48V  to  0.9V  VRM.”  Paper 

Experimental  Results  at  10MHz.”  IEEE  Transaction  on 

presented  at  IEEE  Annual  Power  Electronics  Specialists 

Power Electronics, 4 (1989): 194‐204. 

Conference, June 20‐25, 2004. 

Quasi‐resonant 

Buck 

and 

Fly‐back 

  Xiangwu  Yan  received  the  B.E.  degree  in  electrical  engineering  from  Hunan  University,  Hunan,  China,  in  1986,  the M.S. degree from North China Electric Power University,  Baoding,  China,  in  1990,  and  the  Ph.D.  degree  from  Harbin  Institute of Technology, Heilongjiang, China, in1997. 

W  A  Tabisz,  P  Gradzki,  F  C  Lee.  “Zero‐voltage‐switching  Multiresonant  Technique—A  Novel  Approach  to  Improve  Performance  of  High‐frequency  Quasi‐resonant  Converters.  Paper  presented  at  IEEE  Power  Electronics  Specialists Conf Rec, 1988. 

He  was  an  Honorary  Fellow  of  the  Wisconsin  Electric  Machines  and  Power  Electronics  Consortium  (WEMPEC)  at  the  University  of  Wisconsin‐Madison,  Madison.  Then,  he  returned  the  North  China  Electric  Power  University  as  a  Faculty  Member,  where  he  is  currently  a  Professor  at  the  Department  of  Electric  and  Electronic  Engineering.  His  current  research  interests  include  electronic  power  conversion, power quality, and renewable energy generation. 

Watson  R,  Lee  F  C.  “A  soft‐switched,  full‐bridge  boost  converter  employing  an  active‐clamp  circuit.”  Paper  presented  at  27th  Annual  IEEE  Power  Electronics  Specialists Conference, June 23‐27, 1996.  Wang Yuning, Yao Lei, Wang Yanli. “The strategy for foreign  electric  vehicles.”  Auto  Industry  Research  9  (2005):    35‐40. 

Bo Zhang was born in Hebei, China, in 1981. He received the  B.S.  and  M.S.  degrees  in  Electrical  Engineering  form  the  North  China  Electric  Power  University,  Baoding,  China,  in  2005 and 2008 respectively. 

Wang  Zhaoan;  Huang  Jun.  Power  Electronic  Conversion  Technique, Beijing: China Machine Press, 2001.  Wu  Chen,  Xinbo  Ruan,  Qianhong  Chen,  Junji  Ge.  “A Novel 

He  is  currently  an  Instructor  at  the  Department  of  Electric  Power  University.  His  research  interests  include  application  of  power  electronics  in  power  system,  electronic  power 

Clamping  Diode  Current  Reset  Scheme  for  ZVS  PWM  Full‐Bridge  Converter.”  Paper  presented  at  2010  IEEE 

 

 

219


www.ijape.org                            International Journal of Automation and Power Engineering (IJAPE) Volume 2 Issue 4, May 2013 

technology, North China Electric Power University. He is the  first  author  of  the  books  ʺPrinciple  and  Application  of  Modern  Power  Electronicsʺ  and  ʺAnalysis  and  Control  of  Power  Qualityʺ  published  in  P.R.  China  and  has  published  more  than  fifty  papers  in  recent  years.  His  main  research  areas of interests are power grid with new energy and power  quality of power system.

converter, and renewable energy generation.    Xiangning Xiao  was born in Xining, Ningxia, China, in 1953.  He  received  his  M.S.  degree  in  electrical  engineering  from  North China Electric Power University, in 1981.  He  is  currently  a  Professor  in  the  department  of  electrical  engineering  and  head  of  the  department  of  science  and   

220

 

 


The Key Technologies of Electric Vehicle Charger