基于高效功率器件的车载辅助DC-DC变换器研究

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随着能源枯竭和全球温度的上升,电动汽车成为解决该问题的最佳方式之一,因此近些年电动汽车发展迅速。车载辅助DC-DC变换器作为电动汽车高压动力电池和12V蓄电池、低压设备的桥梁,对其转换效率和功率密度的要求也不断提高。虽然提高开关频率能够提升变换器的功率密度,但传统的硅器件由于其自身特性限制了其更高的开关频率。高效功率器件—GaN、Si C由于其寄生参数小、开关速度快、开关损耗小等优势,对提高车载辅助DC-DC变换器的功率密度有显著地优势。本文首先介绍了电动汽车的动力系统的结构、组成部分、工作原理以及车载辅助DC-DC变换器的特点和拓扑结构,通过对比几种常用拓扑结构,选择Buck+LLC作为主电路拓扑结构。考虑到宽禁带半导体材料—GaN、Si C的发展以及相对于Si材料的优势,选择GaN功率器件作为所研究的车载辅助DC-DC变换器的功率开关器件。LLC谐振变换器作为变换器的核心部件,因此详细分析了LLC谐振变换器的拓扑结构和工作原理,利用基波分析法建立数学模型,分析了品质因数Q和电感系数k对直流增益的影响,以及变换器在全负载范围内实现ZVS的约束条件。而高频变压器设计的好坏也直接影响整个变换器的效率传输,因此采用面积乘积法(AP)对高频变压器进行设计。GaN功率器件虽然具有开关速度快、导通电阻和寄生参数小的优点,但GaN功率器件由于栅极开通电压范围窄,门极阈值电压低的缺点,在高频工作时,寄生参数的存在不利于驱动电路的设计。因此本文分别讨论了高/、/、共模电流以及寄生参数对GaN功率器件驱动电路的影响,并给出了相应的解决方式。最后,本文设计了一台功率为1.5k W,输入电压为210V~480V,输出电压为12V,开关频率为100k Hz的车载辅助DC-DC变换器。首先通过LTspice仿真软件验证了设计参数的的正确性和GaN功率器件驱动电路设计的可靠性,最后通过实验验证了设计的合理性和可靠性。
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