基于碳化硅器件的无线充电汽车地端装置设计与优化

作     者：黄天一 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄学良;谭林林

授予年度：2021年

学科分类：0808[工学-电气工程] 082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：碳化硅器件 电动汽车无线充电 补偿网络 谐波抑制 效率优化 

摘      要：电动汽车产业的快速发展无疑给汽车充电设备带来了巨大挑战。传统的有线充电方式采用充电枪连接电动汽车与充电桩,这带来了一系列问题:布线复杂、充电枪容易破损老化、充电设备不能灵活移动等,电动汽车无线充电技术的出现为其提供了解决方案。传统无线充电系统以硅器件为核心,功率损耗大,在高温高频环境下工作性能差。为了改善无线充电系统的性能,本文采用碳化硅器件研制无线充电汽车地端装置。首先,对地端装置结构展开研究。对比分析了不同有源功率因数校正技术和高频逆变电源的特点,完成了地端功率模块拓扑设计和控制方案;以可靠、灵活性为目标,深入研究四种补偿网络输出特性,通过对比确定了地端补偿网络拓扑结构;为抑制逆变输出高次谐波,提出一种谐波抑制电路,通过分析逆变输出电流各次谐波分量提出谐波抑制电路参数设计方法,大大降低了功率模块输出电流谐波含量。其次,设计并研制功率因数校正电路、逆变模块、地端补偿网络硬件装置。对地端装置高频特性进行分析,以效率最优为原则,确定了功率器件选择方案;采用有源功率因数校正技术,结合整流滤波与升压电路,大幅提高了地端装置输入端功率因数;为避免地端装置接入电源发生跳闸故障,增加软起动电路抑制上电冲击电流;通过对比碳化硅MOSFET与硅MOSFET各项参数,多角度分析碳化硅MOSFET驱动特性,设计了高可靠性驱动电路;针对碳化硅MOSFET开关速度过快引起的电压振荡与电压尖峰问题,采用合适的缓冲电路吸收振荡与尖峰能量;为确保地端装置不会发生热失效,选用强迫风冷散热方式与铜散热片为功率器件提供低热阻通道。最后,搭建地端装置实验平台,对功率模块和地端补偿网络进行验证性实验。结果表明,地端功率模块工作稳定,逆变输出电流谐波含量少,输入端功率因数大于0.99,功率模块峰值效率高于98.3%。与硅装置相比,碳化硅装置在效率、功率密度、体积方面均具有优势,采用碳化硅功率器件可有效提升无线充电系统性能。