DC/DC充电机功率损耗分析及电路设计

摘要

随着石油资源的日益枯竭与全球气候的恶化，人们开始探索绿色清洁能源。电能作为一种清洁能源逐渐被大家所重视。在这种大环境下，全球各国加大对电动汽车行业的投入。据不完全统计，我国目前拥有新能源汽车约12万辆，累计已建成充电桩3万个，充电桩规模远远达不到使用需求。未来5年，其产业规模可达到1000多亿，具有非常良好的市场前景。发展电动汽车，充电系统是非常重要的环节。充电系统都是由多个充电模块并联而成，与充电电池直接相连的充电部分主要是DC/DC变换器。
　　DC/DC变换器是将一种直流电变换另一种直流电。随着对DC/DC变换器技术的研究，DC/DC变换器呈现出高频化、软开关、多电平、高功率密度的发展趋势。本文在分析常见的DC/DC变换器的工作原理和损耗的基础上，提出了一种基于非移相控制方式下的ZVS(零电压开关)半桥三电平DC/DC变换器的设计方法。采用了软开关技术，研制了一台7.5KW的汽车充电机模块。
　　本论文首先对电力电子变换器中的功率开关管和整流二极管建立PSPICE模型，并从理论上推导出功率开关管开通和关断过程中的损耗公式。其次，在建立的开关管损耗模型的基础上，通过分析常见的DC/DC变换器的工作原理和损耗情况，提出传统DC/DC硬开关变换器的不足，从而提出了一种ZVS半桥三电平DC/DC变换器的方案。并结合具体的工程项目，设计出一台充电机样机。该样机额定输出功率为7.5KW，工作频率为100KHZ。主要工作包括：主电路高频变压器设计、输入电容设计、输出LC滤波器和开关管的参数设计及选型。最后，在搭建的实验测试平台上测试了样机的效率、开关管波形和温度分布。测试结果表明变换器的满载效率为93％，最高效率达到95.86%；开关管波形测试数据表明变换器能够实现ZVS（零电压开关）；温度分布与损耗分析理论计算相符合。