CN107846151A - 一种高效率的车载充电变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效率的车载充电变换器，包括顺序连接的：EMI电路、PFC电路、逆变电路、整流电路、输出电路、控制电路。EMI电路用于减小变换器高频噪声对电网的影响，PFC电路在保证输入电流质量的前提下将单相交流电转换为高压直流，逆变电路将高压直流逆变为频率可调的高频方波，再经整流电路的变压器隔离后整流得到稳定直流电压，最终通过输出电路滤除输出高频电流纹波，控制电路完成变换器控制量的采集、计算和输出，实现车载充电变换器的运行与保护。本发明PFC电路和逆变电路分别使用GaN HEMT和Si MOSFET作为主开关器件，结合宽禁带半导体器件与图腾PFC拓扑的优势，具有网侧谐波特性好、体积小、控制灵活等优点，大大提升了车载充电的变换效率。

Description

一种高效率的车载充电变换器
技术领域
本发明属于电动汽车技术领域，更具体地，涉及一种高效率的车载充电变换器。
背景技术
车载充电变换器是安装在电动汽车上，将公共电网的电能变换为车载储能系统所要求的直流电，并给车载储能系统充电的装置。我国已经出台了国家汽车行业相关标准，对车载充电变换器的输入电流谐波含量、功率因数、变换效率、保护特性等技术指标作出了要求。为达到技术指标要求，车载充电变换器主要采用两级式拓扑：前级非隔离AC-DC变换器用于实现功率因素校正并输出稳定直流母线电压，后级隔离DC-DC变换器实现输入侧与电池输出侧的电气隔离并输出指令要求的电压、电流。
目前市面上的车载充电变换系统中前级PFC普遍采用模拟控制，通过隔离I/O向数字控制器传递必要的状态信息；后级DC-DC使用数字控制方式，同时该控制器还兼具变换器调控、保护和通讯功能，但是由于后级控制器无法直接获取输入侧电气参数，控制系统对整机监管和保护不够灵活、全面，无法精确的完成故障的在线监测、判断与上报，容易造成系统的误保护，降低了车载充电变换器的可靠性。
此外，现有车载充电变换多采用有桥或半无桥PFC变换器与单级移相全桥或LLC级联结构，在额定输入电压和额定负载下基本能够满足技术指标。但是其缺陷包括：前级有桥PFC开关器件多、导通损耗大，半无桥PFC采样电路复杂；后级移相全桥变换器只能实现部分负载软开关、输出二极管振荡严重，单级LLC变换器导通损耗大、器件发热集中。以上问题共同导致了现有车载充电变换器变换效率低(90％～95％)、功率密度不高及控制系统复杂等问题。
尽管体积小、重量轻、效率高一直是车载充电变换器的发展方向，但是以上问题严重限制了当下车载充电变换器的效率、功率密度和可靠性的进一步提高。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高效率的车载充电变换器，旨在解决现有技术中车载充电变换效率低、功率密度低和控制系统复杂的问题。
本发明提供了一种高效率的车载充电变换器，包括：EMI电路、PFC电路、逆变电路、整流电路、输出电路和控制电路；EMI电路、PFC电路、逆变电路、整流电路和输出电路依次连接，所述控制电路的第一端口连接至PFC电路，第二端口连接至逆变电路，第三端口连接至输出电路。EMI电路用于减小变换器高频噪声对电网的影响，PFC电路用于实现功率因素校正并输出稳定直流母线电压，逆变电路将高压直流逆变为频率可调的高频方波，再经整流电路的变压器隔离并整流得到稳定直流电压，最终通过输出电路滤除高频电流纹波后输出，控制电路负责变换器所有电气量的采集、计算和控制量输出，实现车载充电变换器的高效、稳定运行。
本发明提供的一种高效率的车载充电变换器中PFC电路主开关器件采用低导通电阻、低反向恢复损耗的GaN HEMT器件，电路与控制简单，输入功率因数高、电流谐波含量少、回路传导损耗小；逆变与整流电路主开关器件均采用Si基半导体器件，且整流电路结构使用模块串并的组合方式，大大降低了单个器件的电流应力、分散发热，减小了传导损耗，提高了变换效率；此外，车载充电变换器采用全数字控制系统，数字信号处理器能够准确的感知系统当前状态，并完成前级、后级与前、后级间的协同控制，并具有实时故障监测、判断与上报功能。
更进一步地，PFC电路包括：预充电电路、输入滤波电容C、输入滤波电感L、快速开关桥臂、慢速二极管桥臂和母线滤波电容Cbus。预充电电路包括：并联连接的限流电阻NTC和缓启继电器Relay1，串联连接的旁路二极管Dss1和旁路二极管Dss2；快速开关桥臂包括：串联连接的第一晶体管Q1和第二晶体管Q2；慢速二极管桥臂包括：串联连接的第一工频二极管Ds1和第二工频二极管Ds2。PFC电路输入的一端与所述输入滤波电容C的一端、输入滤波电感L的一端相连，输入滤波电感L另一端与快速开关桥臂串联连接端相连；PFC电路输入的另一端与限流电阻NTC、缓启继电器Relay1并联连接的一端相连，限流电阻NTC和缓启继电器Relay1并联连接的另一端与输入滤波电容C的另一端、慢速二极管桥臂的串联连接端相连。第一旁路二极管Dss1非串联连接端、第一晶体管Q1非串联连接端与第一工频二极管Ds1的非串联连接端均连接至母线滤波电容Cbus的一端；第二旁路二极管Dss2非串联连接端、第二晶体管Q2非串联连接端与第二工频二极管Ds2的非串联连接端均连接至母线滤波电容Cbus的另一端；母线滤波电容Cbus的两端分别为PFC电路的输出端。采用所述图腾柱PFC拓扑，在任意时刻，电流仅流经两个功率器件，即正半周时电流流经第一晶体管Q1和第二工频二极管Ds2，或第二晶体管Q2和第二工频二极管Ds2，负半周时电流流经第一晶体管Q1和第一工频二极管Ds1，或第二晶体管Q2和第一工频二极管Ds1，相比传统的有桥PFC拓扑减小了变换器体积，提高了电路变换效率。
更进一步地，逆变电路包括：第一开关桥臂、第二开关桥臂、谐振电感Lr、谐振电容Cr。第一开关桥臂包括：串联连接的第一开关管S1和第二开关管S2；第二开关桥臂包括：串联连接的第三开关管S3和第四开关管S4。逆变电路输入的一端与第一开关管S1、第三开关管S3的非串联端相连；逆变电路输入的另一端与第二开关管S2、第四开关管S4的非串联端相连。第一开关桥臂串联端与谐振电感Lr的一端相连，第二开关桥臂串联端与谐振电容Cr一端相连；谐振电感Lr另一端与谐振电容Cr另一端分别作为逆变电路输出端。采用高频逆变电路将高压直流变换为频率可调的高频方波，利于采用高频变压器进行隔离，减小了变换器磁性元件、输出滤波电容体积和输出电流纹波大小，提高了变换器整体效率，同时容易调控变换器输出电压。
更进一步地，整流电路包括：第一整流单元、第二整流单元；所述第一整流单元与所述第二整流单元的输入端串联且输出端并联，且所述第一整流单元与所述第二整流单元的结构相同，均包括：高频隔离变压器T1、全桥整流电路和输出滤波电容C1；所述全桥整流电路包括：第一整流二极管D1和第二整流二极管D2串联连接构成的第一整流二极管桥臂与第三整流二极管D3和第四整流二极管D4串联连接构成的第二整流二极管桥臂。所述高频隔离变压器T1原边两个端口作为第一整流电路输入端口，所述高频隔离变压器T1副边一端连接至第一整流二极管桥臂串联连接端口，所述高频隔离变压器T1副边另一端连接至第二整流二极管桥臂串联连接端口；所述第一整流二极管D1、所述第三整流二极管D3的非串联连接端均连接至所述输出滤波电容C1的一端；所述第二整流二极管D2、所述第四整流二极管D4的非串联连接端均连接至所述输出滤波电容C1的另一端；所述输出滤波电容C1的两端分别为所述整流电路的输出端。
更进一步地，输出电路包括：输出继电器Relay2、输出共模电感LM、第一共模电容CY1、第二共模电容CY2和差模电容Co。所述输出电路输入的一端连接至所述输出继电器Relay2的一端，所述输出继电器Relay2的另一端和第二共模电容CY2的一端均连接至所述输出共模电感LM第一绕组的同名端，所述输出共模电感LM第一绕组的非同名端连接至所述差模电容Co的一端；所述输出电路输入的另一端与第一共模电容CY1的一端均连接至所述输出共模电感LM第二绕组的同名端，所述输出共模电感LM第二绕组的非同名端连接至所述差模电容Co的另一端；所述第一共模电容CY1的另一端与所述第二共模电容CY2的另一端均连接至大地，所述差模电容Co的两端分别为所述输出电路的输出端。输出电路将输出电压中的高频交流分量滤除，提高变换器充电质量，有利于延长电池使用寿命，同时控制变换器与电池的连接通断，输出电路改善了变换器的输出特性，提高了变换器的控制灵活性。
更进一步地，控制电路包括：CAN通讯电路、隔离驱动电路、采样调理电路、继电器驱动电路和DSP控制电路。所述DSP控制电路的eCAN模块对应端口连接至所述CAN通讯电路，所述DSP控制电路的ePWM1-3模块对应端口连接至所述隔离驱动电路，所述DSP控制电路的ADC模块对应端口连接至所述采样调理电路，所述DSP控制电路的GPIO模块对应端口连接至所述继电器驱动电路。CAN通讯外围电路简单，数据传输能力强，利于与上位机进行数据通讯，实现变换器的灵活控制；采用DSP数字控制器作为主要控制电路，极大地简化了控制电路结构，提高了变换器功率密度，利用数字控制器的可编程特点，便于优化算法，提高了控制灵活性。
在本发明中，前级采用一种由全控型GaN HEMT与慢速二极管构成的图腾柱PFC电路，采样、控制实现简单，传导损耗小，并且能够很好的实现输入功率因数和输入电流谐波控制，兼具良好的EMI特性；后级逆变与整流电路主开关器件均采用Si基半导体器件，且整流电路结构使用模块串并联连接方式，大大降低了单个器件的电流应力，减小了传导损耗，提高了系统变换效率；此外，所述车载充电变换器采用全数字控制系统，能够准确感知系统内部电气信息，维持、优化系统运行状态，并实现故障的在线监测与上报。相比于现有技术，本发明具有效率高、结构简单、控制灵活可靠等优点。
附图说明
图1是本发明的系统框图；
图2是本发明实施例的整体电气原理示意图；
图3是本发明实施例满载运行时PFC电路输入电压、电流和输出电压的波形图；
图4是本发明的实施例前级电路的效率与输出功率曲线；
图5是本发明的实施例前级电路的THD、PF与输出功率曲线；
图6是本发明的实施例后级电路的效率与输出功率曲线；
图7是本发明的实施例系统的效率与输出功率曲线；
附图标记：1为EMI电路，2为PFC电路；3为逆变电路，4为整流电路，5为输出电路，6为控制电路；41、42分别为第一、第二整流单元；61～65分别为CAN通讯电路、隔离驱动电路、采样调理电路、继电器驱动电路、DSP控制电路。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种高效率的车载充电变换器，有效的解决了车载充电变换器控制系统结构复杂、系统变换效率不高的问题。该车载充电变换器前级采用GaN HEMT晶体管结合图腾柱PFC电路拓扑，具有传导损耗低、反向恢复损耗小、EMI特性好等优点；后级采用Si基半导体器件结合拓扑模块化串并组合结构，大大降低了单个器件电流应力与传导损耗，优化了散热结构，提高了系统变换效率；采用全数字控制系统替代了原有模拟或数、模混合控制系统，精简了控制系统架构，确保简洁、稳定、可靠运行的同时大大提升了系统的灵活性。
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，本发明所述的一种高效率的车载充电变换器，包括顺次连接的EMI电路1、PFC电路2、逆变电路3、整流电路4和输出电路5，所述车载充电变换器还包括与所述PFC电路1、逆变电路2及输出电路3相连的控制电路6。EMI电路1用于减小变换器高频噪声对电网的影响，PFC电路2在保证输入电流质量与功率因数的同时将单相交流电转换为高压直流，逆变电路3将高压直流逆变为频率可调的高频方波，再经整流电路4的变压器隔离后整流得到稳定直流电压，最终通过输出电路5滤除输出高频电流纹波并控制输出通断，控制电路6完成变换器控制量的采集、计算和输出，实现车载充电变换器稳定运行与保护。
在本发明实施例中，PFC电路2包括：预充电电路、输入滤波电容C、输入滤波电感L、快速开关桥臂、慢速二极管桥臂和母线滤波电容Cbus；所述预充电电路包括：限流电阻NTC、缓启继电器Relay1、旁路二极管Dss1和旁路二极管Dss2；所述快速开关桥臂包括：第一晶体管Q1和第二晶体管Q2；所述慢速二极管桥臂包括：第一工频二极管Ds1和第二工频二极管Ds2。逆变电路3包括：第一开关桥臂、第二开关桥臂、谐振电感Lr、谐振电容Cr；所述第一开关桥臂包括：第一开关管S1和第二开关管S2；所述第二开关桥臂包括：第三开关管S3和第四开关管S4。
更进一步地，整流电路4包括两个完全相同的且输入端串联输出端并联的整流电路，第一整流单元41包括：高频隔离变压器T1、第一全桥整流电路和输出滤波电容C1；所述第一全桥整流电路包括：第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3和第四整流二极管D4；第二整流单元42包括：高频隔离变压器T2、第二全桥整流电路和输出滤波电容C2；所述第二全桥整流电路包括：第五整流二极管D5、第六整流二极管D6、第七整流二极管D7和第八整流二极管D8。输出电路5包括：输出继电器Relay2、输出共模电感LM、第一共模电容CY1、第二共模电容CY2和差模电容Co。
在本发明实施例中，所述高效率的车载充电变换器还包括与所述PFC电路2、逆变电路3和输出电路5连接的控制电路6；控制电路6包括：CAN通讯电路61、隔离驱动电路62、采样调理电路63、继电器驱动电路64和DSP控制电路65。CAN通讯电路61将上位机信号隔离后送至DSP控制电路65的eCAN单元，实现信号隔离与信息相互传递；所述隔离驱动电路62将DSP控制电路65的ePWM模块输出低压驱动信号隔离后放大至晶体管所需电压等级；采样调理电路63用于检测系统电气量，并将其转换为一定幅值的电压信号送至DSP控制电路65的ADC模块；继电器驱动电路64将DSP控制电路65的GPIO模块输出的低压电平信号隔离后放大，用于驱动继电器原边线圈。
在本发明实施例中，车载充电变换器输入电压85VAC～265VAC，输出电压260V～450V，额定输出功率3.3kW。PFC电路晶体管可以选用TPH3207，输入电感选取美磁58076磁芯绕制，开关频率50kHz；所述逆变电路和整流电路中开关管选用IPW60R060C7，谐振电感和高频隔离变压器选用PC95材质PQ40磁芯绕制，开关频率250kHz，系统在额定负载运行时输入功率因数0.998，输入电流THD小于3％，额定运行时效率97％，峰值效率高达97.53％，整机功率密度不小于7W/in3。
PFC电路1交流输入电压、交流输入电流及母线电压经采样调理电路63后送至DSP控制电路65的ADC模块，输入电流经预充电电路向直流母线滤波电容Cbus充电，DSP控制电路65通过比较母线电压与输入电压关系判断预充电是否完成，待预充电结束后DSP控制电路65的GPIO模块输出继电器闭合信号，该信号经继电器驱动电路64后控制缓启继电器Relay1闭合；DSP控制电路65通过检测输入电压获取电网电压的幅值和相位信息，再结合母线电压、输入电流与指令的偏差计算出PFC电路1晶体管开通时刻与持续时间，并通过DSP控制电路65的ePWM模块产生相应的驱动信号，经由隔离驱动电路62隔离、放大后分别送至晶体管Q1～Q2，使其按照一定的逻辑开通、关断，控制输入电流按正弦规律变化，同时保持直流母线电压稳定。
待PFC电路稳定运行后，DSP控制电路65通过CAN通讯电路61获取上位机指令并上传车载充电器状态信息，检测到开机指令后，通过GPIO模块输出继电器闭合信号，该信号经继电器驱动电路64后控制缓启继电器Relay2闭合，再通过采样调理电路63和DSP控制电路65的ADC模块对输出电路5的输出电压和输出电流进行检测，由DSP控制电路65的ePWM模块产生相应驱动信号经隔离驱动电路62后对逆变电路3的开关管S1～S4进行控制，通过调整逆变电路3输出高频方波的频率控制输出电压/输出电流保持在指令值附近。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种车载充电变换器，其特征在于，包括：依次串联连接的EMI电路(1)、PFC电路(2)、逆变电路(3)、整流电路(4)、输出电路(5)和控制电路(6)；
所述控制电路(6)的第一端口连接至所述PFC电路的控制端，所述控制电路(6)的第二端口连接至所述逆变电路的控制端，所述控制电路(6)的第三端口连接至输出电路的控制端；
所述EMI电路(1)用于减小变换器高频噪声对电网的影响；所述PFC电路(2)用于实现功率因素校正并输出稳定直流母线电压；所述逆变电路(3)用于将高压直流逆变为频率可调的高频方波；所述整流电路(4)用于对所述高频方波进行隔离并整流后得到稳定直流电压；所述输出电路(5)用于将所述稳定直流电压进行滤除高频电流纹波后输出；所述控制电路(6)用于对采集的电气量进行处理后输出用于控制所述PFC电路、所述逆变电路和所述输出电路实现车载充电变换器的高效、稳定运行。
2.如权利要求1所述的车载充电变换器，其特征在于，所述PFC电路(2)包括：预充电电路、输入滤波电容C、输入滤波电感L、快速开关桥臂、慢速二极管桥臂和母线滤波电容Cbus；
预充电电路包括：并联连接的限流电阻NTC和缓启继电器Relay1，串联连接的第一旁路二极管Dss1和第二旁路二极管Dss2；
快速开关桥臂包括：串联连接的第一晶体管Q1和第二晶体管Q2；
慢速二极管桥臂包括：串联连接的第一工频二极管Ds1和第二工频二极管Ds2；
所述输入滤波电容C的一端作为所述PFC电路输入的一端，所述输入滤波电容C的一端还与所述输入滤波电感L的一端相连，所述输入滤波电感L的另一端与快速开关桥臂串联连接端相连；
所述限流电阻NTC与所述缓启继电器Relay1并联连接的一端作为所述PFC电路输入的另一端，所述限流电阻NTC与所述缓启继电器Relay1并联连接的另一端与所述输入滤波电容C的另一端以及所述慢速二极管桥臂的串联连接端相连；
所述第一旁路二极管Dss1非串联连接端、所述第一晶体管Q1非串联连接端与所述第一工频二极管Ds1的非串联连接端均连接至所述母线滤波电容Cbus的一端；所述第二旁路二极管Dss2非串联连接端、所述第二晶体管Q2非串联连接端与所述第二工频二极管Ds2的非串联连接端均连接至所述母线滤波电容Cbus的另一端；
所述母线滤波电容Cbus的两端分别为PFC电路的输出端。
3.如权利要求1或2所述的车载充电变换器，其特征在于，所述逆变电路(3)包括：第一开关桥臂、第二开关桥臂、谐振电感Lr和谐振电容Cr；
所述第一开关桥臂包括：串联连接的第一开关管S1和第二开关管S2；
所述第二开关桥臂包括：串联连接的第三开关管S3和第四开关管S4；
所述第一开关管S1与所述第三开关管S3的非串联端作为所述逆变电路(3)输入的一端，所述第二开关管S2与所述第四开关管S4的非串联端作为所述逆变电路(3)输入的另一端；
所述第一开关桥臂串联端与所述谐振电感Lr的一端相连，所述第二开关桥臂串联端与所述谐振电容Cr一端相连；所述谐振电感Lr的另一端与所述谐振电容Cr的另一端分别作为逆变电路输出端。
4.如权利要求1或2所述的车载充电变换器，其特征在于，整流电路(4)包括：第一整流单元和第二整流单元；
所述第一整流单元与所述第二整流单元的输入端串联且输出端并联，且所述第一整流单元与所述第二整流单元的结构相同，均包括：高频隔离变压器T1、全桥整流电路和输出滤波电容C1；
所述全桥整流电路包括：由第一整流二极管D1和第二整流二极管D2串联连接构成的第一整流二极管桥臂，以及由第三整流二极管D3和第四整流二极管D4串联连接构成的第二整流二极管桥臂；
所述高频隔离变压器T1原边两个端口作为第一整流单元输入端口，所述高频隔离变压器T1副边一端连接至第一整流二极管桥臂串联连接端口，所述高频隔离变压器T1副边另一端连接至第二整流二极管桥臂串联连接端口；所述第一整流二极管D1、所述第三整流二极管D3的非串联连接端均连接至所述输出滤波电容C1的一端；所述第二整流二极管D2、所述第四整流二极管D4的非串联连接端均连接至所述输出滤波电容C1的另一端；所述输出滤波电容C1的两端分别为所述整流电路的输出端。
5.如权利要求1或2所述的车载充电变换器，其特征在于，所述输出电路(5)包括：输出继电器Relay2、输出共模电感LM、第一共模电容CY1、第二共模电容CY2和差模电容Co；
所述输出继电器Relay2的一端作为所述输出电路输入的一端，所述输出继电器Relay2的另一端和所述第二共模电容CY2的一端均连接至所述输出共模电感LM第一绕组的同名端，所述输出共模电感LM第一绕组的非同名端连接至所述差模电容Co的一端；
所述第一共模电容CY1的一端作为所述输出电路输入的另一端，且连接至所述输出共模电感LM第二绕组的同名端，所述输出共模电感LM第二绕组的非同名端连接至所述差模电容Co的另一端；所述第一共模电容CY1的另一端与所述第二共模电容CY2的另一端均接地，所述差模电容Co的两端分别为所述输出电路的输出端。
6.如权利要求1或2所述的车载充电变换器，其特征在于，所述控制电路(6)包括：CAN通讯电路、隔离驱动电路、采样调理电路、继电器驱动电路和DSP控制电路；
所述DSP控制电路的eCAN模块对应端口连接至所述CAN通讯电路，所述DSP控制电路的ePWM1-3模块对应端口连接至所述隔离驱动电路，所述DSP控制电路的ADC模块对应端口连接至所述采样调理电路，所述DSP控制电路的GPIO模块对应端口连接至所述继电器驱动电路。
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