CN214591142U - 宽输入范围的高效率SiC电动汽车电源变换器系统 - Google Patents

Abstract

一种宽输入范围的高效率SiC电动汽车电源变换器系统，设置在动力电池组模块和负载模块之间，包括依次相连的输入电压预充模块、EMI模块、BOOST升压模块、LLC功率变换模块和低压侧整流MOS模块；还包括通讯连接的初级MCU控制模块、次级MCU控制模块、LLC控制模块以及低压侧控制模块。本实用新型既能够保证较宽的输入电压范围，以及显著提高转换效率，且同样功率下，体积更小、重量很轻，满足整车轻量化要求，又能保证系统的可靠性、稳定性及安全性。

Description

宽输入范围的高效率SiC电动汽车电源变换器系统

技术领域

本实用新型涉及一种新能源汽车的DC-DC变换器，尤其是一种宽输入范围的高效率SiC电动汽车电源变换器系统，属于电源转换技术领域。

背景技术

近几年来，由于环境污染的恶化，空气质量逐渐下降，环境问题日益突出，政府出台了一系列相关政策，以鼓励电动汽车产业的发展，汽车产业转型升级和电动化趋势日益明显，采用电力等新能源汽车在中国得到了快速发展，而车载DC-DC变换器作为电动汽车动力电池系统的重要组成部分，在行车过程中始终都要保持供电，对其性能提高了要求，其中最显著一点要求就是，车载 DC-DC变换器的输入电压范围要宽。

目前，电动汽车的高压电池组由大量的单体电池进行串并联组合以满足电池电压和容量的需求，为了提高电动汽车的续航能力，增加高压电池组的功率容量，就要求用到更多的单体电池，也就使得实际车载动力电池的母线电压会存在很大的电压波动，特别对于锂电池动力电池系统，该母线电压的输出波动范围为400V～700V。因此，宽范围输入电压的要求增加了车载DC-DC变换器的设计难度，降低了工作效率，需要选择合适的拓扑来适应宽范围电压输入。

但是，现有的DC-DC变换器主要应用于工业领域，同时存在以下不足或缺点：

1)供电范围较窄，无法适用车载不同电压平台的母线输入电压要求；

2)转换效率较低，仅有89％左右，无法满足续航要求；

3)体积较大、重量较重，无法满足整车轻量化要求；

4)所带EMI滤波器的电容较大，上电冲击电流较大，给整车PDU(PowerDistribution Unit，电源分配单元)设计带来困难；

5)稳定性、可靠性和耐久性都有待于提高，无法满足高性能要求。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本实用新型提供一种宽输入范围的高效率 SiC电动汽车电源变换器系统，该变换器既能够保证较宽的输入电压范围，以及显著提高转换效率，且同样功率下，体积更小、重量很轻，满足整车轻量化要求，又能保证系统的可靠性、稳定性及安全性。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是：一种宽输入范围的高效率 SiC电动汽车电源变换器系统，设置在动力电池组模块和负载模块之间，包括依次相连的输入电压预充模块、EMI模块、BOOST升压模块、LLC功率变换模块和低压侧整流MOS模块；还包括通讯连接的初级MCU控制模块和次级 MCU控制模块；初级MCU控制模块分别连接至输入电压预充模块和BOOST 升压模块连接，BOOST升压模块与LLC功率变换模块之间也连接至初级 MCU控制模块，初级MCU控制模块和次级MCU控制模块均通过LLC控制模块连接到LLC功率变换模块；低压侧整流MOS模块与负载模块之间还连接至次级MCU控制模块，低压侧整流MOS模块设有连接的低压侧控制模块。

相比现有的DC-DC变换器，本实用新型的宽输入范围的高效率SiC电动汽车电源变换器系统，显著优势如下：

1)采用预充电路前置方案，通过设置输入电压预充模块，保证了上电冲击电流最小；

2)采用一级使用1200V高压碳化硅MOS的BOOST功率变换升压模块，保证了较宽的输入电压范围，使输入电压范围可达220VDC～880VDC；

3)采用平面变压技术、软开关技术，碳化硅(SiC)高压MOSFET技术及LLC技术，显著提高了转换效率，转换效率可达95％以上，使同样功率下，体积更小、重量很轻，满足整车轻量化要求；

4)采用双MCU冗余设计方案，通过设置初级MCU控制模块和次级 MCU控制模块，保证了系统的可靠性、稳定性及安全性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型一个实施例的系统结构框图。

图2是本实用新型一个实施例的系统原理图。

图3是本实用新型一个实施例的输入电压预充模块+EMI模块+BOOST升压模块的电路图。

图4是本实用新型一个实施例中LLC控制模块的电路图。

图5是本实用新型一个实施例中LLC功率变换模块的电路图。

图6是本实用新型一个实施例中低压侧整流MOS模块的电路图。

图7是本实用新型一个实施例中低压侧控制模块的电路图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。

图1至图7示出了本实用新型一个较佳的实施例的结构示意图，图1中的宽输入范围的高效率SiC电动汽车电源变换器系统，设置在动力电池组模块和负载模块之间，包括依次相连的输入电压预充模块、EMI模块、BOOST升压模块、LLC功率变换模块和低压侧整流MOS模块；还包括通讯连接的初级 MCU控制模块和次级MCU控制模块；初级MCU控制模块分别连接至输入电压预充模块和BOOST升压模块连接，BOOST升压模块与LLC功率变换模块之间也连接至初级MCU控制模块，初级MCU控制模块和次级MCU控制模块均通过LLC控制模块连接到LLC功率变换模块；低压侧整流MOS模块与负载模块之间还连接至次级MCU控制模块，低压侧整流MOS模块设有连接的低压侧控制模块。其中，所述的初级MCU控制模块包括初级MCU，次级 MCU控制模块包括次级MCU。

在本实施例中，所述的LLC控制模块包括控制芯片L6599AD及其周围电路，控制芯片U2的VCC引脚受初级和次级MCU控制，U2的6脚经检流电流接谐振电容C139和谐振电容C140的公共端，U2的11脚接隔离驱动芯片 U14的2脚，作为LLC半桥的下臂SiC功率开关管Q7的驱动输入，U2的15 脚接隔离驱动芯片U14的1脚，作为LLC半桥的上臂SiC功率开关管Q6的驱动输入，U2的4脚和5脚可通过输出反馈调节系统频率。参见图7，所述的低压侧控制模块包括同步整流控制芯片U23和同步整流控制芯片U8及其周围电路，U8和U23的4脚接同步整流MOS Q4、Q9、Q12、Q1、Q8、Q10的源极； U8和U23的4脚经限流电阻R39和R97接次级辅助电源+12V，U8和U23的 3脚为输出脚，3脚经驱动保护电路接同步整流MOS Q4、Q9、Q12、Q1、Q8、Q10的栅极。

参见图3，实施例中所述的输入电压预充模块由预充电路构成，包括预充继电器RLY1、预充功率电阻RT1以及防反接二极管BRG2，动力电池组模块的输出正极VIN+经保险丝F1分别连接预充功率电阻RT1和预充继电器RLY1 的一个触点，预充功率电阻RT1的另一端连接防反接二极管BRG2的正极，同时连接防反接二极管BRG2的负极和预充继电器RLY1的另一个触点，此处防反二极管使用整流桥代替。输入高压预充模块的原理是当输入电压经预充功率电阻RT1给后面EMI模块的X电容C3、X电容C5、输出滤波电容C4及输出滤波电容C36充电，当X电容C3、X电容C5、输出滤波电容C4及输出滤波电容C36上的电压与输入电压相等是，闭合预充继电器RLY1，可有效减少开机冲击电流。

参见图3，所述的EMI模块由两级EMI电路和薄膜电容C6依次串接构成，一级EMI电路包括X电容C5、Y电容C1、Y电容C2和共模电感L2，X电容 C5一端同时连接防反接二极管的负极、Y电容C2的一引脚及共模电感L2的一同名端，X电容C5的另一端同时连接动力电池组模块的负极VIN-、Y电容 C1的一引脚及共模电感L2的另一绕组的同名端；Y电容C1和Y电容C2的另一引脚相接，同时接金属外壳；二级EMI电路包括X电容C3、Y电容C11、Y电容C12和共模电感L3，X电容C3分别连接共模电感L3、L2的两个非同名端；共模电感L3的两个非同名端分别连接薄膜电容C6的两端及C11、C12 的一非同名引脚；Y电容C11和Y电容C12的另一引脚相接，同时接金属外壳。

参见图3，所述的BOOST升压模块由BOOST升压电路构成，包括升压电感L6、SiC功率开关管Q2、SiC功率开关管Q22、SiC续流二极管D31、保护二极管BRG1、检流电阻RS1、检流电阻RS3、输出滤波电容C29、输出滤波电容C4和输出滤波电容C36；升压电感L6的一端连接薄膜电容C6的正极，同时连接保护二极管BRG1的正极，此处保护二极管BRG1由整流桥代替，升压电感L6的另一端连接SiC功率开关管Q2的漏极和SiC功率开关管Q22的漏极以及SiC续流二极管D31的正极，此处SiC功率开关管Q2和SiC功率开关管Q22并联，SiC续流二极管D31的负极与保护二极管BRG1的负极连接，同时连接输出滤波电容C29和输出滤波电容C4的正极，输出滤波电容C4与输出滤波电容C36串联，输出滤波电容C36的负极与SiC功率开关管Q2和SiC功率开关管Q22的源极连接，同时还连接到检流电阻RS1和检流电阻RS3 的一端，检流电阻RS1和检流电阻RS3并联，其另一端连接薄膜电容C6的负极；BOOST升压模块升压后的输出电压即输出滤波电容C4正极端电压作为系统母线电压，为后续LLC功率变换模块提供输入电压。BOOST升压模块可将输入电压升至850V，其输入电压范围为220VDC～880VDC，实现宽电压输入。

参见图5，所述的LLC功率变换模块由LLC半桥高压侧SiC功率开关电路、半桥隔离驱动电路、自升压电路以及驱动保护电路以及高低压转换隔离电路构成；LLC半桥上臂SiC功率开关管Q6的漏极连接系统母线电压，半桥下臂SiC功率开关管Q7的漏极连接半桥上臂SiC功率开关管Q6的源极，隔离驱动芯片U14的16脚连接自升压电路的D11的负极，作为半桥驱动电路的上臂驱动供电，U14的15脚连接半桥隔离驱动电路的输入信号，经驱动保护电路后连接半桥隔离驱动电路的上臂SiC功率开关管Q6的栅极；同样的，U14 的11脚连接内部22V辅助供电电源，作为半桥隔离驱动电路的下臂驱动供电， U14的10脚连接半桥驱动电路的输入，经驱动保护电路后连接半桥的下臂SiC 功率开关管Q7的栅极；自升压电路的D11与D10串联，D10的正极连接限流电阻R67，限流电阻R67接内部22V辅助供电；驱动保护电路的C8一端连接 U14的15脚，C8另一端连接限流电阻R15，R15另一端连接R14，R14连接稳压管D20的负极和放电电阻R12，同时经滤波电容C7连接磁珠L4，L4另一端连接上臂SiC功率开关管Q6的栅极；高低压转换隔离隔离变压器T1的初级绕组A1端接上臂SiC功率开关管Q6的源极和下臂SiC功率开关管Q7的漏极，LLC隔离变压器T1的初级绕组A2端接LLC谐振电容C139和LLC谐振电容C140，LLC谐振电容C139和LLC谐振电容C140并联组合，其中LLC 谐振电容C139的另一端接系统母线电压，LLC谐振电容C140的另一端接初级地，LLC谐振电容C139和LLC谐振电容C140容值相同。LLC隔离变压器 T1采用平面变压器，采用内部集成谐振电感方式，节省了一个谐振电感元件，有效减小变压器体积，有利于变换器的小型化、轻量化。LLC功率变换采用软开关技术，当SiC功率开关管漏源极压降为0V时，MOS进行断开和闭合的动作，有效降低了开关损耗，提高变换器效率，提高功率密度。

参见图6，所述的低压侧整流MOS模块包括同步整流MOS及其驱动保护电路；LLC隔离变压器T1的副边绕组T1B的B1引脚接同步整流MOS Q4、 Q9、Q12的漏极，其B2引脚由副边绕组T1B和T1C的公共端构成，同时连接到输出滤波电容C29的正极，同步整流MOS Q4、Q9、Q12为并联关系；LLC 隔离变压器T1的副边绕组T1C的B3引脚连接同步整流MOS Q1、Q8、Q10的漏极，同步整流MOS Q1、Q8、Q10为并联关系；同步整流MOS Q1、Q8、 Q10和Q4、Q9、Q12的源极共同连接到输出滤波电容C29的负极。

参见图2，本实用新型的工作原理：动力电池组模块的高压直流输入系统后，经过输入电压预充模块、EMI模块，再通过BOOST升压模块，在输入电压变化的情况下，保持输出电压的稳定，经过BOOST升压模块的功率变换之后通过LLC功率变换模块变换为汽车用电器需要的电压，再通过低压侧整流 MOS模块的同步整流和滤波处理，输出可靠稳定的电压。本系统采用了双 MCU(微控制单元)方案，初级MCU模块负责上电控制时序，次级MCU模块负责故障报警及与整车进行CAN通讯，将控制器状态上报整车；这样既保证了系统初级MCU模块与次级MCU模块的隔离，保证系统的安全性，又在控制上存在冗余设计，保证了系统的可靠稳定。

参见图1-7，本实用新型电源转换器系统的控制过程：

当系统连接到动力电池组模块，系统内初级MCU和次级MCU开始工作，初级MCU判断母线电压和输入电压值，当母线电压与输入电压基本相同，初级MCU控制输入电压预充模块的预充继电器闭合，同时延时500ms后开启 BOOST升压电路，BOOST升压电压值由其升压控制芯片的6脚确定，同时升压后的电压受初级MCU监测，当升压后的母线电压不在初级MCU的监测范围，初级MCU将此现象上报给次级MCU，次级MCU报母线电压异常故障。若初级MCU检测母线电压正常，延时500ms后LLC控制电路开始工作，该 LLC控制电路(参见图4)为半桥控制，低边驱动信号通过隔离驱动芯片U14 经其驱动保护电路驱动低边MOS(即Q7)，高边驱动信号通过隔离驱动芯片 U14后经过其自升压电路，升压后经驱动保护电路驱动高边MOS(即Q6)。功率信号经LLC隔离变压器T1到次级，次级同步整流MOS模块的整流电路开始工作，整流电路采用全波整流，整流后的电流经输出滤波电容到达负载端。同时输出电压和电流受次级MCU控制，当输出电压或电流超出本系统的额定范围，次级MCU会关掉LLC控制电路，同时200ms后初级MCU关掉 BOOST升压电路，300ms后初级MCU关断预充继电器。当次级MCU检测到故障移除，整个系统重启。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种宽输入范围的高效率SiC电动汽车电源变换器系统，设置在动力电池组模块和负载模块之间，其特征是：包括依次相连的输入电压预充模块、EMI模块、BOOST升压模块、LLC功率变换模块和低压侧整流MOS模块；还包括通讯连接的初级MCU控制模块和次级MCU控制模块；初级MCU控制模块分别连接至输入电压预充模块和BOOST升压模块连接，BOOST升压模块与LLC功率变换模块之间也连接至初级MCU控制模块，初级MCU控制模块和次级MCU控制模块均通过LLC控制模块连接到LLC功率变换模块；低压侧整流MOS模块与负载模块之间还连接至次级MCU控制模块，低压侧整流MOS模块设有连接的低压侧控制模块。

2.根据权利要求1所述的宽输入范围的高效率SiC电动汽车电源变换器系统，其特征是：所述的输入电压预充模块由预充电路构成，包括预充继电器RLY1、预充功率电阻RT1以及防反接二极管BRG2，动力电池组模块的输出正极VIN+经保险丝F1分别连接预充功率电阻RT1和预充继电器RLY1的一个触点，预充功率电阻RT1的另一端连接防反接二极管BRG2的正极，防反接二极管BRG2的负极和预充继电器RLY1的另一个触点相连，此处防反二极管BRG2使用整流桥代替。

3.根据权利要求2所述的宽输入范围的高效率SiC电动汽车电源变换器系统，其特征是：所述的EMI模块由两级LC滤波电路串接构成，一级LC滤波电路包括X电容C5、Y电容C1、Y电容C2和共模电感L2，X电容C5一端同时连接防反接二极管的负极、Y电容C2的一引脚及共模电感L2的一同名端，X电容C5的另一端同时连接动力电池组模块的负极VIN-、Y电容C1的一引脚及共模电感L2的另一绕组的同名端；Y电容C1和Y电容C2的另一引脚相接，同时接金属外壳；二级LC滤波电路包括X电容C3、Y电容C11、Y电容C12和共模电感L3，X电容C3分别连接共模电感L3、L2的两个非同名端；共模电感L3的两个非同名端分别连接薄膜电容C6的两端及C11、C12的一非同名引脚；Y电容C11和Y电容C12的另一引脚相接，同时接金属外壳。

4.根据权利要求3所述的宽输入范围的高效率SiC电动汽车电源变换器系统，其特征是：所述的BOOST升压模块由BOOST升压电路构成，包括升压电感L6、SiC功率开关管Q2、SiC功率开关管Q22、SiC续流二极管D31、保护二极管BRG1、检流电阻RS1、检流电阻RS3、输出滤波电容C29、输出滤波电容C4和输出滤波电容C36；升压电感L6的一端连接薄膜电容C6的正极，同时连接保护二极管BRG1的正极，此处保护二极管BRG1由整流桥代替，升压电感L6的另一端连接SiC功率开关管Q2的漏极和SiC功率开关管Q22的漏极以及SiC续流二极管D31的正极，此处SiC功率开关管Q2和SiC功率开关管Q22并联，SiC续流二极管D31的负极与保护二极管BRG1的负极连接，同时连接输出滤波电容C29和输出滤波电容C4的正极，输出滤波电容C4与输出滤波电容C36串联，输出滤波电容C36的负极与SiC功率开关管Q2和SiC功率开关管Q22的源极连接，同时还连接到检流电阻RS1和检流电阻RS3的一端，检流电阻RS1和检流电阻RS3并联，其另一端连接薄膜电容C6的负极；BOOST升压模块升压后的输出电压即输出滤波电容C4正极端电压作为系统母线电压，为后续LLC功率变换模块提供输入电压。

5.根据权利要求4所述的宽输入范围的高效率SiC电动汽车电源变换器系统，其特征是：所述的LLC功率变换模块由LLC半桥高压侧SiC功率开关电路、半桥隔离驱动电路、自升压电路以及驱动保护电路以及高低压转换隔离电路构成；LLC半桥上臂SiC功率开关管Q6的漏极连接系统母线电压，半桥下臂SiC功率开关管Q7的漏极连接半桥上臂SiC功率开关管Q6的源极，隔离驱动芯片U14的16脚连接自升压电路的D11的负极，作为半桥驱动电路的上臂驱动供电，U14的15脚连接半桥隔离驱动电路的输入信号，经驱动保护电路后连接半桥隔离驱动电路的上臂SiC功率开关管Q6的栅极；同样的，U14的11脚连接内部22V辅助供电电源，作为半桥隔离驱动电路的下臂驱动供电，U14的10脚连接半桥驱动电路的输入，经驱动保护电路后连接半桥的下臂SiC功率开关管Q7的栅极；自升压电路的D11与D10串联，D10的正极连接限流电阻R67，限流电阻R67接内部22V辅助供电；驱动保护电路的C8一端连接U14的15脚，C8另一端连接限流电阻R15，R15另一端连接R14，R14连接稳压管D20的负极和放电电阻R12，同时经滤波电容C7连接磁珠L4，L4另一端连接上臂SiC功率开关管Q6的栅极；高低压转换隔离隔离变压器T1的初级绕组A1端接上臂SiC功率开关管Q6的源极和下臂SiC功率开关管Q7的漏极，LLC隔离变压器T1的初级绕组A2端接LLC谐振电容C139和LLC谐振电容C140，LLC谐振电容C139和LLC谐振电容C140并联组合，其中LLC谐振电容C139的另一端接系统母线电压，LLC谐振电容C140的另一端接初级地，LLC谐振电容C139和LLC谐振电容C140容值相同。

6.根据权利要求5所述的宽输入范围的高效率SiC电动汽车电源变换器系统，其特征是：所述的低压侧整流MOS模块包括同步整流MOS及其驱动保护电路；LLC隔离变压器T1的副边绕组T1B的B1引脚接同步整流MOS Q4、Q9、Q12的漏极，其B2引脚由副边绕组T1B和T1C的公共端构成，同时连接到输出滤波电容C29的正极，同步整流MOS Q4、Q9、Q12为并联关系；LLC隔离变压器T1的副边绕组T1C的B3引脚连接同步整流MOS Q1、Q8、Q10的漏极，同步整流MOSQ1、Q8、Q10为并联关系；同步整流MOS Q1、Q8、Q10和Q4、Q9、Q12的源极共同连接到输出滤波电容C29的负极。

7.根据权利要求1至6任一项所述的宽输入范围的高效率SiC电动汽车电源变换器系统，其特征是：所述的初级MCU控制模块包括初级MCU，次级MCU控制模块包括次级MCU。

8.根据权利要求7所述的宽输入范围的高效率SiC电动汽车电源变换器系统，其特征是：所述的LLC控制模块包括控制芯片L6599AD及其周围电路，控制芯片U2的VCC引脚受初级和次级MCU控制，U2的6脚经检流电流接谐振电容C139和谐振电容C140的公共端，U2的11脚接隔离驱动芯片U14的2脚，作为LLC半桥的下臂SiC功率开关管Q7的驱动输入，U2的15脚接隔离驱动芯片U14的1脚，作为LLC半桥的上臂SiC功率开关管Q6的驱动输入，U2的4脚和5脚可通过输出反馈调节系统频率。

9.根据权利要求8所述的宽输入范围的高效率SiC电动汽车电源变换器系统，其特征是：所述的低压侧控制模块包括同步整流控制芯片U23和同步整流控制芯片U8及其周围电路，U8和U23的4脚接同步整流MOS Q4、Q9、Q12、Q1、Q8、Q10的源极；U8和U23的4脚经限流电阻R39和R97接次级辅助电源+12V，U8和U23的3脚为输出脚，3脚经驱动保护电路接同步整流MOS Q4、Q9、Q12、Q1、Q8、Q10的栅极。

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