【摘 要】
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未来,电动汽车将成为全球车企满足严格油耗和排放法规的主流车型。车载充电机（On-Board Charger,OBC）可以方便的为车载电池充电,但也增加了车载变换器的体积和重量。将电动汽车的电驱动系统复用为OBC是满足重量、空间和成本要求的一种方法,集成电机驱动器、OBC和高压Boost变换器等已成为发展趋势。在车载变换器中使用碳化硅（Silicon Carbide,SiC）器件可进一步提高系统效率
【基金项目】
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国家重点研发计划《多变流器拓扑结构研究与集成单元开发》（课题编号:2018YFB0104602）；
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未来,电动汽车将成为全球车企满足严格油耗和排放法规的主流车型。车载充电机（On-Board Charger,OBC）可以方便的为车载电池充电,但也增加了车载变换器的体积和重量。将电动汽车的电驱动系统复用为OBC是满足重量、空间和成本要求的一种方法,集成电机驱动器、OBC和高压Boost变换器等已成为发展趋势。在车载变换器中使用碳化硅（Silicon Carbide,SiC）器件可进一步提高系统效率和功率密度。但SiC器件的高开关速度和高开关频率特性会显著提高系统的电磁干扰（Electromagnetic Interference,EMI）,同时当前SiC器件电流容量较小,针对大功率车载变换器应用时需要通过多器件并联以提高其载流能力,而器件并联均流性能会影响其最高载流能力和系统长期运行可靠性。因此有必要对SiC器件在车载复用变换器应用中的器件并联均流和系统EMI抑制等问题进行研究,在满足相关EMI标准要求下最大限度的发挥SiC器件的性能优势,提高系统效率和功率密度。本文首先揭示了传统直流电容分布式SiC MOSFET并联方案瞬态电流不平衡的主要原因,说明了功率电路板（PCB）布局布线对瞬态均流特性的影响。为改善瞬态均流性能,提出了一种PCB布局布线方案及优化方法,降低了SiC并联桥臂间的耦合效应,减小了栅极驱动信号的传输延迟差异。通过双脉冲实验验证了所优化的SiC并联单元在正常工作和短路故障条件下的均流性能。实验测试表明:与传统SiC并联单元相比,优化后的并联单元下桥臂并联SiC器件的瞬态电流差异从10.22%显著降低至2.78%,开关损耗差异也得到了相同程度的减小,且在短路故障条件下的瞬态电流也基本相同。分析了基于SiC MOSFET并联单元的车载复用变换器在DC/DC模式和非隔离型OBC模式下的传导干扰特性。分析了SiC MOSFET的开关电压频谱分布特性并将其作为主要的传导干扰源。建立了复用变换器各组成部件的寄生参数模型。将寄生参数模型引入变换器的EMI分析模型,分析了不同干扰源和不同寄生参数对系统EMI特性的影响。揭示了Boost变换器输入负极引线寄生电感和功率电感高频传输线效应之间的串联谐振对系统传导干扰特性的影响;理论分析了提高功率电感高频阻抗特性以及降低Boost输入负极引线寄生电感对系统传导干扰的抑制效果。揭示了非隔离型OBC模式输出屏蔽电感对OBC网侧传导干扰特性的影响,并给出了降低系统传导干扰的有效措施。为有效地抑制车载复用变换器的传导干扰提供了理论基础。为在不影响系统功率密度的前提下抑制车载复用变换器的传导干扰,提出了一种应用于功率电感器的等效单层绕线方法,降低了其等效并联电容,显著提高了其高频阻抗特性。提出了一种通过增加小封装电容来降低电池侧等效负极引线寄生电感的方法。实验测试表明:在不增加额外EMI抑制措施前提下,仅通过优化功率电感绕线以及增加小封装电容,显著抑制了车载复用变换器在DC/DC模式下以及OBC模式下电池侧的高频传导干扰。为进一步抑制OBC网侧传导干扰,给出了一种网侧EMI滤波器,并将其安装于功率电感器的剩余窗口空间,降低了对系统功率密度的影响。实验测试表明车载复用变换器在OBC模式下电网侧满足CISPR 32-2019中B级标准限值。最后基于优化的SiC MOSFET并联单元和功率电感器及滤波器单元实现了一种应用于电动汽车的高效率和高功率密度的车载复用变换器,对该复用变换器在不同工作模式下的等效变换器拓扑进行小信号建模并设计了闭环控制系统,测试了复用变换器在不同工作模式下的电气参数并分析了系统体积、重量和损耗分布。实验测试表明:复用变换器在DC/DC模式下（50 k Hz）输出功率50k W时的系统峰值效率为99.12%,在峰值输出功率60 k W时系统功率密度大于15 k VA/L;在OBC模式下输出功率6.6 k W时系统效率为97.41%,系统功率因数大于0.99,网侧输入电流总谐波畸变率2.11%,且低频电流谐波分量同时满足EN IEC 61000-3-2:2019和EN 61000-3-12:2011相应标准限值。
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