基于SiC的新能源汽车双向DC/DC变换器及控制研究

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随着能源枯竭和全球变暖,电动汽车成为解决该问题的最佳方式之一,近年来发展迅速,车载双向DC/DC变换器作为连接电动汽车动力电池和电机驱动模块的桥梁,它的转换效率和功率密度要求不断提高。目前电力电子技术正朝着高频高可靠性高功率密度的方向发展,相较于传统硅器件,高效功率器件SiC具有开关频率高、开关损耗小、开关速度快等优势,能明显提高车载双向DC/DC变换器的功率密度。本文首先介绍了电动汽车的动力系统结构、组成部分以及车载DC/DC变换器的特点。通过对多种拓扑结构对比,最终选择CLLC作为主电路拓扑结构。选择SiC功率器件作为DC/DC变换器的功率开关器件。针对SiC MOSFET相较于传统SiMOSFET门极阈值电压低、栅极开通电压范围窄、高频工作时驱动电路会出现较大电压尖峰的情况,分析了SiC MOSFET的开关原理、开关特性、静态特性以及寄生参数对SiC MOSFET驱动电路的影响,并且结合变换器拓扑的特点,设计了SiC MOSFET驱动电路。其次分析了双向全桥CLLC谐振变换器的拓扑结构和工作原理,采用基波分析法进行稳态建模分析,对比分析各参数不同的取值对谐振变换器性能的影响,并依据变换器在全负载范围内实现零电压开通(Zero-Voltage-Switching,ZVS)的约束条件,提出可靠地参数设计方案。针对传统控制策略动态性能不足,电压达到稳态值较慢、受到负载切换扰动较大的缺点,提出了一种对CLLC谐振变换器的自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)策略,在不需对CLLC谐振变换器精确建模的情况下,建立扩张状态观测器和设计PD控制器,达到提升动态响应性能,降低超调量,减小调节时间,减少谐波含量的目的。对变换器的关键器件设计选型,完成硬件电路及软件程序设计。最后,采用Simulink对谐振变换器进行仿真验证,并搭建实验样机对变换器进行多工作模态下的正向与反向实验。结果验证了双向全桥CLLC谐振变换器参数设计的合理性,正向与反向运行时均能实现开关器件的软开关,具有良好的效率,满足了变换器宽范围调压的需求。
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