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全SiC功率器件三相车载充电机研究设计 2022-07-05 13:28
参考文献:叶雪韬,全SiC功率器件三相车载充电机研究设计【D】,浙江大学,2021(转发请注明出处及作者)
我国新能源汽车发展较晚,充电桩行业处于发展初期,充电基础设施需要更长时间的规划才能基建完善。同时,充电桩后期运营工作同样正在阻碍充电桩的发展,与高速发展的电动汽车行业相比,充电桩设施分布不均,充电桩比例失衡等问题使得目前充电桩明显处于供不应求的状态,这在一定程度上影响了电动汽车的普及。相比于充电桩,车载OBC 指固定安装在电动汽车上的蓄电池充电装置,不需要大规模进行基础设施建设或者人员运营,对于用户而言使用更加便捷,目前车载OBC 的发展趋势有如下几种:
两级式拓扑结构
由于车载充电机需要满足小型化、轻量化及高效率等应用需求,目前车载充电机大多采用高频技术实现。高频开关电源主要采用单级式变换器结构或两级式变换器结构。
单级式OBC 将输入交流信号经过 AC/DC 变换为直流信号为电动汽车电池组供能。单级式车载充电机拓扑结构简单、功率密度高,电路成本低且控制简单。但单级电路输入电流很难做到标准正弦化,PF 低且不适合应用于大功率场合。
两级式变换器结构是在原先的单级式AC/DC 拓扑上增加一个后级 DC/DC变换器。与单级式变换器相比,在增加了器件的成本下,可以使得电路具有较高的功率因数和较小的谐波失真率,能够实现更高效的功率变换。
更大的传输功率
为了提高交流充电效率与速度,大功率车载充电机的发展趋势是必然的。对于前级AC/DC 而言,单相整流电路带负载能力弱,输出电压的可调范围小。在大功率应用场合,三相整流电路应运而生。而三相整流器中三相PWM 整流电路具有多种拓扑结构,能适应不同的应用场合,具有算法成熟、功率因数高、体积相对较小等优点,应用最为广泛和成熟。
在前级使用三相大功率整流桥的前提下,对OBC 后级的DC/DC 变换器产生以下要求:a. 具有电气隔离功能保护用户安全;b. 在大功率下工作,效率与功率密度都较高。
直流变换器分为全桥拓扑和半桥拓扑,半桥拓扑的开关管电流应力为全桥拓扑的两倍,总导通损耗也为全桥的两倍,而且电容体积较大,不适合中大功率的场景;全桥拓扑的开关管数量较多,但是其开关管的电压和电流应力比较小,而且实现软开关比较方便,具有明显的效率优势,中大功率多采用全桥电路。目前移相全桥DC/DC 变换器与全桥谐振式DC/DC 变换器作为应用广泛的软开关全桥隔离型DC/DC 变换器,普遍应用于OBC 的后级,实现OBC 的宽范围输出功能。
相比于硅Si(MOSFET),碳化硅(SiC)器件具有更宽的带隙,更高的电子迁移率和电子速度,因此其可以工作与于更高的频率并且具有更高的耐压性能。在导通电阻,阻断电压和结电容方面也明显优于Si MOSFET 的对应参数,从而在电动汽车OBC 变换器中,具有更大的的性能优势。对于新型器件而言,随着器件开关速度的上升,寄生参数对于器件工作环境的影响体现得更加明显,寄生参数对器件的影响主要体现在布局(PCB 与器件封装)产生的寄生电感上,即源级电感
我国新能源汽车发展较晚,充电桩行业处于发展初期,充电基础设施需要更长时间的规划才能基建完善。同时,充电桩后期运营工作同样正在阻碍充电桩的发展,与高速发展的电动汽车行业相比,充电桩设施分布不均,充电桩比例失衡等问题使得目前充电桩明显处于供不应求的状态,这在一定程度上影响了电动汽车的普及。相比于充电桩,车载OBC 指固定安装在电动汽车上的蓄电池充电装置,不需要大规模进行基础设施建设或者人员运营,对于用户而言使用更加便捷,目前车载OBC 的发展趋势有如下几种:
两级式拓扑结构
由于车载充电机需要满足小型化、轻量化及高效率等应用需求,目前车载充电机大多采用高频技术实现。高频开关电源主要采用单级式变换器结构或两级式变换器结构。
两级式变换器结构是在原先的单级式AC/DC 拓扑上增加一个后级 DC/DC变换器。与单级式变换器相比,在增加了器件的成本下,可以使得电路具有较高的功率因数和较小的谐波失真率,能够实现更高效的功率变换。
更大的传输功率
为了提高交流充电效率与速度,大功率车载充电机的发展趋势是必然的。对于前级AC/DC 而言,单相整流电路带负载能力弱,输出电压的可调范围小。在大功率应用场合,三相整流电路应运而生。而三相整流器中三相PWM 整流电路具有多种拓扑结构,能适应不同的应用场合,具有算法成熟、功率因数高、体积相对较小等优点,应用最为广泛和成熟。
在前级使用三相大功率整流桥的前提下,对OBC 后级的DC/DC 变换器产生以下要求:a. 具有电气隔离功能保护用户安全;b. 在大功率下工作,效率与功率密度都较高。
直流变换器分为全桥拓扑和半桥拓扑,半桥拓扑的开关管电流应力为全桥拓扑的两倍,总导通损耗也为全桥的两倍,而且电容体积较大,不适合中大功率的场景;全桥拓扑的开关管数量较多,但是其开关管的电压和电流应力比较小,而且实现软开关比较方便,具有明显的效率优势,中大功率多采用全桥电路。目前移相全桥DC/DC 变换器与全桥谐振式DC/DC 变换器作为应用广泛的软开关全桥隔离型DC/DC 变换器,普遍应用于OBC 的后级,实现OBC 的宽范围输出功能。
相比于硅Si(MOSFET),碳化硅(SiC)器件具有更宽的带隙,更高的电子迁移率和电子速度,因此其可以工作与于更高的频率并且具有更高的耐压性能。在导通电阻,阻断电压和结电容方面也明显优于Si MOSFET 的对应参数,从而在电动汽车OBC 变换器中,具有更大的的性能优势。对于新型器件而言,随着器件开关速度的上升,寄生参数对于器件工作环境的影响体现得更加明显,寄生参数对器件的影响主要体现在布局(PCB 与器件封装)产生的寄生电感上,即源级电感