CN207705877U - 一种高效率电动汽车车载充电机 - Google Patents

Abstract

一种高效率电动汽车车载充电机，涉及一种汽车充电机，本实用新型EMI电源滤波器与无桥PFC电路连接，无桥PFC电路与PFC控制电路和LLC半桥谐振电路连接，LLC半桥谐振电路与LLC谐振控制电路和所述高频整流输出电路连接，高频整流输出电路与电流电压采样电路连接，电流电压采样电路与所述LLC谐振控制电路连接，LLC谐振控制电路还与通信电路连接。本装置采用GaN器件作为开关管的图腾柱无桥PFC拓扑结构和LLC半桥谐振电路，采用电感电流连续模式下的平均电流控制策略和固定死区的互补调频控制方式，提高了功率因数校正效率和整机效率，有效减小车载充电机占用电动汽车的空间，减轻汽车的负载。

Description

一种高效率电动汽车车载充电机

技术领域

本实用新型涉及一种汽车充电机，特别是涉及一种高效率电动汽车车载充电机。

背景技术

近年来，在各国政府的大力支持和倡导下，电动汽车的研发取得明显的进展。电动汽车以其低排放、能源结构优化和优越的节能特性成为汽车工业研究、开发和运用的热点。电动汽车可分类为混合动力电动汽车和纯电动汽车，与传统燃油汽车相比较，不仅可以有效减少对传统能源的依赖，而且可以有效减少尾气排放甚至是可以实现零排放。电动汽车将成为未来汽车产业发展的必然趋势。

电池充电技术是影响电动汽车产业发展的关键技术之一。目前，电动汽车充电装置总体上可以分为车载充电机和非车载充电机（充电桩）。充电桩作为电动汽车的常用充电方式，其安装位置固定，一般安装在停车场、车库、充电站等场地，给电动汽车随时随地充电带来诸多不便，且充电桩充电费用远高于家用电。因此，能够直接利用家用单相交流电进行充电的小型化高效率车载充电机更能满足电动汽车的充电需求。

车载充电机需要满足小型化、轻量化、高效率的应用要求，常采用高频开关电源拓扑结构中的两级变换结构，包括前级PFC变换器和后级DC-DC变换器，并采用硅MOSFET作为变换器的开关管。为了有效提高充电机的整机效率，除了采用高效率拓扑结构外，还需要采用高性能的开关器件。但是由于受到制造工艺及封装技术的局限，硅器件的性能已接近极限。新型功率半导体器件GaN以极低的寄生电容、低导通电压、高电子迁移率等特点成为替代硅MOSFET的最佳选择。GaN器件尤其适合用于有器件小型化应用需求的、有高功率密度的应用需求的等场合中，但是目前在车载充电机上还未得到应用。将GaN器件应用于车载充电机中，将有利于减小车载充电机占用电动汽车的空间，减轻汽车的负载，延长汽车的行驶路程。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种高效率电动汽车车载充电机，本实用新型采用功率半导体器件应用于图腾柱无桥PFC拓扑结构和LLC半桥结构中，可以使电路工作在更高的工作频率，从而有效提高车载充电机整机效率及功率密度，体积和重量更小，方便电动汽车安装。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高效率电动汽车车载充电机，所述装置包括EMI电源滤波器、无桥PFC电路、LLC半桥谐振电路、高频整流输出电路、PFC控制电路、LLC谐振控制电路、电压电流采样电路和通信电路，所述EMI电源滤波器与无桥PFC电路连接，无桥PFC电路与所述PFC控制电路和所述LLC半桥谐振电路连接，LLC半桥谐振电路与LLC谐振控制电路和所述高频整流输出电路连接，高频整流输出电路与所述电流电压采样电路连接，电流电压采样电路与LLC谐振控制电路连接，LLC谐振控制电路还与所述通信电路连接；无桥PFC电路和PFC控制电路构成前级PFC变换器，LLC半桥谐振电路、高频整流输出电路、LLC谐振控制电路和电压电流采样电路构成后级DC-DC变换器；EMI电源滤波器由共模电感、X电容、Y电容所构成π型滤波器，其滤波器输入端与交流输入接口相连，输出端与无桥PFC电路相连；通信电路由Freescale处理器及外围电路构成，通信电路与LLC谐振控制电路和通信接口连接。

所述的一种高效率电动汽车车载充电机，所述无桥PFC电路由图腾柱无桥PFC拓扑构成；图腾柱无桥PFC采用650V大功率增强型GaN器件GS66516T为开关管。

所述的一种高效率电动汽车车载充电机，所述PFC控制电路包括电压电流检测、驱动电路和控制器；其中，控制器采用升压型功率因数校正控制芯片NCP1653作为主控制芯片，采用电流内环、电压外环的双闭环连接方式。

所述的一种高效率电动汽车车载充电机，所述LLC半桥谐振电路包括高频逆变半桥电路、高频开关管和变压器；其中，高频开关管采用GaN FET半桥模块TPD3227M；开关管采用GaN器件。

所述一种高效率电动汽车车载充电机，所述LLC谐振控制电路包括控制电路和驱动保护电路，采用内置600V高压驱动器的高性能谐振控制芯片NCP1397为主控制芯片，并采用固定死区的互补调频控方式连接LLC半桥谐振电路。

所述一种高效率电动汽车车载充电机，所述高频整流输出电路，包括整流器和滤波器。

本实用新型的优点与效果是：

本实用新型的车载充电机利用家用单相交流电为电动汽车供电，解决了现有电动汽车充电成本高、充电困难等问题。为了满足车载充电机小型化、轻量化及高效率的应用需求，采用新型功率半导体器件GaN替代传统的硅MOSFET应用于图腾柱无桥PFC拓扑结构和LLC半桥结构中，可以使电路工作在更高的工作频率，从而有效提高车载充电机整机效率及功率密度。图腾柱无桥PFC具有较低的EMI，较少的外围元件，可以使电路设计更加紧凑，较传统Boost PFC可以使电动汽车车载充电机效率更高，体积和重量更小，方便电动汽车安装。LLC谐振电路中充分利用变压器中的漏感和激磁电感，使车载充电机体积得到大大的降低，将GaN器件应用在LLC半桥结构中，可以进一步提高整机效率。本系统有效提高电动汽车车载充电机的效率，减少电动汽车车载充电机的体积、重量和成本，从而有效减小车载充电机占用电动汽车的空间，减轻汽车的负载，对于电动汽车产业的发展具有十分重要的意义。

附图说明

图1为本实用新型总体框图；

图2为本实用新型前级变换器部分电路图；

图3为本实用新型后级DC-DC变换器电路图。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例对本实用新型进行详细说明。

本实用新型包括EMI电源滤波器、无桥PFC（功率因数校正）电路、LLC半桥谐振电路、高频整流输出电路、PFC控制电路、LLC谐振控制电路、电压电流采样电路和通信电路，其中：EMI电源滤波器与无桥PFC电路连接，无桥PFC电路与所述PFC控制电路和所述LLC半桥谐振电路连接，LLC半桥谐振电路与LLC谐振控制电路和所述高频整流输出电路连接，高频整流输出电路与电流电压采样电路连接，电流电压采样电路与LLC谐振控制电路连接，LLC谐振控制电路还与通信电路连接；EMI电源滤波器通过交流输入接口与家用单相交流电连接，用于阻止电动汽车车载充电机产生的电磁干扰进入电网，并阻止来自交流电网的瞬态过电压及浪涌电压，将滤波后的交流电输出至所述无桥PFC电路。PFC控制电路用于产生所述无桥PFC电路的PWM控制信号，控制无桥PFC电路实现功率因数校正，使交流侧输入电流保持为与电网电压同相位的正弦波电流，以尽可能提高供电电源的利用率并为后级LLC半桥谐振电路提供稳定的直流电。LLC谐振控制电路用于产生LLC半桥谐振电路的PFM控制信号，控制LLC半桥谐振电路对无桥PFC电路输出的直流电进行功率变换，并将输出的高频功率脉冲通过高频变压器输出至高频整流输出电路。高频整流输出电路用于将高频功率脉冲转换成电动汽车动力电池组所需的直流电，电压电流采样电路与整流输出电路和LLC谐振控制电路连接，用于将检测到的输出信号反馈给LLC谐振控制电路以控制调节LLC半桥谐振电路的控制信号，通信电路用于实现车载充电机与车内电池管理系统之间的通信。无桥PFC电路和PFC控制电路构成前级PFC变换器，以提高变换器的输入功率因数，减小输入电流谐波，为后级变换器提供一个稳定的直流电。所述LLC半桥谐振电路、高频整流输出电路、LLC谐振控制电路和电压电流采样电路构成后级DC-DC变换器。后级DC-DC变换器通过电流内环、电压外环的双闭环控制方式将检测输出电压电流反馈至LLC谐振控制电路，以调整输出适合用于蓄电池充电曲线的恒流恒压输出模式。电源滤波器由共模电感、X电容、Y电容所构成的π型滤波器实现。无桥PFC电路包括储能元件和开关器件。采用图腾柱无桥PFC拓扑结构并选用新型功率半导体器件GaN，可以使电路工作在更高的工作频率，从而使图腾柱无桥PFC拓扑结构能够实现高效率功率因数校正，并为后级DC-DC变换器提供稳定的直流电压。PFC控制电路包括电压电流采样电路、驱动电路和控制器，采用电感电流连续模式下的平均电流控制策略，采用电流内环、电压外环的双闭环控制方式，使车载充电机的交流测输入电流保持为电网电压同相位的正弦波电流，电流环控制主电路输入电流跟踪基准电流，电压环将输出电压的变化反馈给电流环并降低输入电流的畸变，得到电流环的输入基准电流。LLC半桥谐振电路包括高频逆变半桥电路、高频开关管和变压器，采用谐振控制方式，能实现高频开关管的软开关，可调节输出电压及实现电气隔离，采用GaN作为开关管，能够进一步提高开关的工作频率，有效降低开关损耗，提高车载充电机的整机效率。LLC谐振控制电路包括控制电路和驱动保护电路，采用固定死区的互补调频控制方式。电压电流检测信号通过控制电路产生PFM控制信号输出至驱动保护电路，通过驱动电路驱动高频开关管的导通和关断来控制车载充电机的输出模式。高频整流输出电路包括整流器和滤波器。电压电流采样电路包括电流采样电路和电压采样电路。电压电流采样电路将检测到的输出电流信号和输出电压信号与外部通信信号共同反馈给LLC谐振控制电路。通信电路由Freescale处理器及外围电路构成，与LLC谐振控制电路和通信接口连接，通过CAN总线实现电池管理系统BMS与车载充电机的实时通信。

实施例

如图1所示，本实用新型一种高效率电动汽车车载充电机包括EMI电源滤波器200、无桥PFC电路300、LLC半桥谐振电路400、高频整流输出电路401、PFC控制电路301、LLC谐振控制电路402、电压电流采样电路403和通信电路500，其中：EMI电源滤波器200与所述无桥PFC电路300连接，无桥PFC电路300与所述PFC控制电路301和LLC半桥谐振电路400连接，LLC半桥谐振电路400与LLC谐振控制电路402和高频整流输出电路401连接，高频整流输出电路401与电流电压采样电路403连接，电流电压采样电路403与LLC谐振控制电路402连接，LLC谐振控制电路402还与通信电路500连接；

EMI电源滤波器200由共模电感、X电容、Y电容所构成的π型滤波器实现，其输入端与交流输入接口100相连，输出端与无桥PFC电路300相连。车载充电机通过交流输入接口100与220V/50Hz家用单相交流电连接，EMI电源滤波器200能够有效抑制由车载充电机工作所产生的电磁噪声，减少电源干扰并阻止来自交流电网的瞬态过电压及浪涌电压。输入端电流不超出16A，一般选用10A或16A，以实现2.2kW或3.3kW功率等级的充电机。输出端将滤波后的交流电输出至所述无桥PFC电路300。

如图2所示，本实用新型一种高效率车载充电机的前级PFC变换器30由无桥PFC电路300和PFC控制电路301构成，其输入端与EMI电源滤波器200相连，输出端与后级DC-DC变换器40相连，用于提高变换器的输入功率因数，减小输入电流谐波，为后级变换器提供稳定的直流电，其中：

无桥PFC电路300采用图腾柱无桥PFC拓扑结构，输入端与EMI电源滤波器200连接，输出端与LLC半桥谐振电路400连接，EMI电源滤波器200输出一端经过电感L1与开关管VD1、VD2形成的高频桥臂的中心抽头相连，另一端与二极管D1、D2形成的低频桥臂的中心抽头相连，高频桥臂与低频桥臂及滤波电容C1并联作为输出端与LLC半桥谐振电路400输入端相连。采用新型功率半导体器件GaN作为开关管并由PFC控制电路301实现控制，在提高电源利用率的同时将交流输入电变换为稳定的直流电供给后级LLC半桥谐振电路400。

其中，所述开关管VD1、VD2采用650V大功率增强型GaN器件GS66516T，其栅极与PFC控制电路301相连。由开关管VD1、VD2串联形成高频桥臂，其中心抽头与电感L1连接，桥臂两端与二极管D1、D2串联形成的低频桥臂及滤波电容C1并联。采用GaN作为图腾柱无桥PFC拓扑结构的开关管，可以有效解决因使用MOSFET器件所产生导通损耗及开关损耗，消除二极管续流损耗问题，使效率达到99%。

PFC控制电路301包括电压电流采样电路、驱动电路和控制器，与无桥PFC电路300相连。电压检测电阻R2与电阻R3串联构成分压网络，电压采样电路输入端与电压检测电阻R3两端相连，其输出端与控制器相连；电压采样电路输入端与电阻R3两端相连，其输出端与控制器相连；控制器输出两路脉冲分别与开关管VD1、VD2的驱动电路相连，驱动电路分别驱动与开关管VD1、VD2栅极的栅极相连，用于驱动开关管VD1、VD2的开通与关断。PFC控制电路301采用电感电流连续模式下的平均电流控制策略，采用电流内环、电压外环的双闭环控制方式，用于产生所述无桥PFC电路300的PWM控制信号。

其中，控制器采用升压型功率因数校正控制芯片NCP1653作为主控制芯片，并采用电感电流连续模式下的平均电流控制策略，用于产生无桥PFC电路300的PWM控制信号，控制驱动电路对开关管VD1、VD2实现驱动控制。

驱动电路采用隔离驱动芯片Si8230作为主控制芯片，与开关管VD1、VD2栅极相连，用于根据控制器输出的PWM控制信号驱动开关管VD1、VD2的导通与关断，通过控制电感L1电流波形跟随交流输入电压，实现功率因数校正。

电压电流采样电路包括电压采样电路和电流采样电路，能够实现电流内环、电压外环的双闭环控制方式。电压检测电阻R2与电阻R3串联，其一端与开关管VD1漏极、二极管D1阴极和电容C1正极三者的公共节点相连，另一端与电流检测电阻R4相连，电压采样电路连接于电阻R2、R3串联的中心抽头和输出负极之间。在检测电阻R3得到输出取样电压，经过控制器NCP1653内的电压误差放大器误差放大后与通过R1检测电阻得到的输入取样电压共同输送至NCP1653内的乘法器，经过乘法器运算得到电流环的输入基准电流，所形成的电压外环将输出电压的变化反馈给电流环并降低输入电流的畸变。电流检测电阻R4串联于电容C1负极和输出负极之间，电流采样电路输入端与电流检测电阻R4两端相连，得到的输出取样电流，并将其输出至NCP1653电流反馈端，与电压环形成的输入基准电流共同输出至NCP1653内的PWM比较器，通过电流环的调节产生主电路开关管的PWM控制信号。驱动电路根据PWM控制信号驱动开关管VD1、VD2交替导通，通过控制电感L1电流波形跟随交流输入电压，实现功率因数校正。同时，通过电感L1、开关VD1、VD2将输入交流电能转换成直流电输出至后级DC-DC变换器。

图3为本实用新型一种高效率电动汽车车载充电机的后级DC-DC变换器40由LLC半桥谐振电路400、高频整流输出电路401、LLC谐振控制电路402和所述电压电流采样电路403构成，其输入端与前级PFC变换器30相连，输出端与充电输出接口600相连。通过LLC谐振控制方式，不仅能够实现一次侧开关管ZVS，还能实现二次侧整流二极管ZCS关断，从而实现高效率功率变换。其中：

LLC半桥谐振电路400包括高频逆变半桥电路、高频开关管和变压器，其输出端与充电输出接口600相连。LLC半桥谐振电路400输入端并联滤波电容C2，输入正极与高频开关管VD3的漏极相连，输入负极与高频开关管VD4相连；高频开关管VD3、VD4串联构成的半桥结构，其中间抽头与电容C3相连；变压器T1等效为理想变压、励磁电感Lm和漏感Ls，变压器漏感Ls与电容C3的另一端，变压器输入端的另一端与高频开关管VD4的源极相连，变压器的输出端变压器的输出端分别与二极管D3、D5串联构成的整流桥臂及二极管D3、D6串联构成的整流桥臂的中心抽头相连。采用谐振控制方式能够实现变压器一次侧高频开关管的软开关控制，充分利用变压器漏感Ls与激磁电感Lm，后级不需要滤波电感，大大减小变换器体积，有效提高车载充电机效率。

其中，高频开关管VD3、VD4采用功率混合型GaN HEMT半桥模块TPD3227M芯片，栅极与驱动电路相连，由驱动电路驱动其导通与关断。高频开关管VD3、VD4串联构成的半桥结构，其中间抽头与电容C3相连，电路由C3和Ls构成LC谐振网络，由C3、Ls和Lm构成LLC谐振网络，通过控制高频开关管VD3、VD4的导通与关断实现LC和LLC谐振模式输出。LLC半桥谐振电路400进入LC谐振模式时，谐振电流通过变压器输出至高频整流输出电路401，实现功率变换；一旦谐振电流等于高频变压器激磁电感电流，电路进入LLC谐振模式，输出整流器电流下降到零，高频变压器初级停止向次级传递能量，负载由电容C4供电，此过程为即将导通的开关管提供ZVS开通条件，同时实现了二次侧整流管的ZCS关断。LLC半桥谐振电路400通过谐振控制方式，不仅能够实现一次侧开关管ZVS，还能实现二次侧整流二极管ZCS关断，可以有效降低损耗，使效率有效提高。采用GaN器件作为高频开关管的LLC半桥谐振电路400，能够进一步减小开关损耗，提高效率。

LLC谐振控制电路402采用内置高压驱动器的NCP1397作为谐振控制器主控芯片，分别与高频开关管VD3、VD4的栅极相连，通过采用固定死区的互补调频控制方式产生PFM驱动信号，并通过内置高压驱动器对LLC半桥谐振电路400进行驱动。

高频输出整流电路401包括由D3~D6构成的整流器和由C3构成的滤波器，其输入端与LLC半桥谐振电路400相连，输出端与充电输出接口600相连。变压器的输出端分别与二极管D3、D5串联构成的整流桥臂及二极管D3、D6串联构成的整流桥臂的中心抽头相连；两支整流桥臂并联构成整流器，又与滤波电容C4并联构成高频滤波电路401，与充电输出接口600相连。高频输出整流电路401通过变压器与前端电路实现电气隔离，同时将输入的高频脉冲功率转换为电动汽车动力电池组所需的直流电。预计效率不低于94%，输出功率不低于3.3kw。

电压电流采样电路403包括电流采样电路和电压采样电路，分别与整流输出电路401和LLC谐振控制电路402相连，实现电流内环、电压外环的双闭环控制方式。电流检测电阻R7串联于整流二极管D6阴极和输出负极之间，电流采样电路输入端与电流检测电阻R7两端相连，以获得输出取样电流对应的电压，所得取样电流形成的电压信号经电流采样电路调节后形成误差信号，通过光电隔离方式传输至LLC谐振控制芯片NCP1397。LLC谐振控制芯片NCP1397将误差信号转换成PFM驱动信号，并通过内置驱动器驱动开关管VD3、VD4交替导通，将直流输入转换为高频脉冲功率，经过高频整流电路整流滤波，实现电池充电状态下的恒流输出功能。电压检测电阻R5与电阻R6串联，连接于输出端正、负极之间；所述电压采样电路与电压检测电阻R5、R6串联的中心抽头和输出负极相连，以得到R6上的输出取样电压，经电压采样电路调节后形成误差信号，通过光电隔离方式输出至LLC谐振控制芯片NCP1397。LLC谐振控制芯片NCP1397将误差信号转换成PFM驱动信号，并通过内置驱动器驱动开关管VD3、VD4交替导通，将直流输入转换为高频脉冲功率，经过高频输出整流电路401整流滤波，实现电池充电状态下的恒压输出功能，通过充电输出接口600为电动汽车动力电池组充电。后级DC-DC变换器40通过电流内环、电压外环的双闭环控制方式将检测输出电压电流反馈至LLC谐振控制电路402，以调整输出适合用于蓄电池充电曲线的恒流恒压输出模式。

通信电路500由Freescale处理器及外围电路构成，与LLC谐振控制电路402和通信接口700连接，通过CAN总线实现电池管理系统BMS与车载充电机的实时通信。

Claims (6)

1.一种高效率电动汽车车载充电机，其特征在于，所述装置包括EMI电源滤波器、无桥PFC电路、LLC半桥谐振电路、高频整流输出电路、PFC控制电路、LLC谐振控制电路、电压电流采样电路和通信电路，所述EMI电源滤波器与无桥PFC电路连接，无桥PFC电路与所述PFC控制电路和所述LLC半桥谐振电路连接，LLC半桥谐振电路与LLC谐振控制电路和所述高频整流输出电路连接，高频整流输出电路与所述电流电压采样电路连接，电流电压采样电路与LLC谐振控制电路连接，LLC谐振控制电路还与所述通信电路连接；无桥PFC电路和PFC控制电路构成前级PFC变换器，LLC半桥谐振电路、高频整流输出电路、LLC谐振控制电路和电压电流采样电路构成后级DC-DC变换器；EMI电源滤波器由共模电感、X电容、Y电容所构成π型滤波器，其滤波器输入端与交流输入接口相连，输出端与无桥PFC电路相连；通信电路由Freescale处理器及外围电路构成，通信电路与LLC谐振控制电路和通信接口连接。

2.根据权利要求1所述的一种高效率电动汽车车载充电机，其特征在于，所述无桥PFC电路由图腾柱无桥PFC拓扑构成；图腾柱无桥PFC采用650V大功率增强型GaN器件GS66516T为开关管。

3.根据权利要求1所述的一种高效率电动汽车车载充电机，其特征在于，所述PFC控制电路包括电压电流检测、驱动电路和控制器；其中，控制器采用升压型功率因数校正控制芯片NCP1653作为主控制芯片，采用电流内环、电压外环的双闭环连接方式。

4.根据权利要求1所述的一种高效率电动汽车车载充电机，其特征在于，所述LLC半桥谐振电路包括高频逆变半桥电路、高频开关管和变压器；其中，高频开关管采用GaN FET半桥模块TPD3227M；开关管采用GaN器件。

5.根据权利要求1所述一种高效率电动汽车车载充电机，其特征在于，所述LLC谐振控制电路包括控制电路和驱动保护电路，采用内置600V高压驱动器的高性能谐振控制芯片NCP1397为主控制芯片，并采用固定死区的互补调频控方式连接LLC半桥谐振电路。

6.根据权利要求1所述一种高效率电动汽车车载充电机，其特征在于，所述高频整流输出电路，包括整流器和滤波器。