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电动汽车驱动 GaN器件 功率模块 ★ 5.0

用于电动汽车的无辅助电源模块高功率密度氮化镓基多功能车载充电机

GaN-Based High Power Density Multifunctional Onboard Charger for Electric Vehicles Eliminating Auxiliary Power Module

作者 Nagamalleswararao Kamarajugadda · Baylon G. Fernandes · Kishore Chatterjee
期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics
出版日期 2025年1月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 GaN器件 功率模块
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 多功能车载充电器 主电池充电 辅助电源模块 双有源桥 纹波功率补偿
语言:

中文摘要

本文提出了一种用于电动汽车(EV)的多功能车载充电器(MOC),该充电器可实现从单相电网对主电池进行充电(MBC)。它还能向单相负载供电或向电网回馈电能,并且可作为辅助电源模块(APM),为车辆的辅助系统提供低压直流(LVDC)电源。所提出的充电器是一种两级转换器,其中第一级由前端图腾柱功率因数校正(PFC)电路和集成的纹波功率补偿(RPC)电路组成,用于吸收二次谐波纹波功率。第二级是双有源桥(DAB),用于控制流入/流出主电池的功率。为实现APM运行模式,对第一级电路进行重新配置,形成交错式降压转换器,以向低压直流母线提供大电流。此外,通过调整变压器的绕组配置,使双有源桥的直流转换比保持接近1,确保在所有运行模式下都能实现软开关。采用一种新颖的纹波功率补偿控制方法解决了集成纹波功率补偿所需的高直流母线电压问题,从而使转换器能够使用650 V的氮化镓开关。进行了详细的仿真研究,以预测转换器在所有运行模式下的性能,并在一台7.2 kW的实验室样机上对这些结果进行了实验验证。

English Abstract

This article proposes a multifunctional onboard charger (MOC) for electric vehicles (EVs) that facilitates main battery charging (MBC) from a single-phase grid. It can also feed power to single-phase load or back to the grid, and as an auxiliary power module (APM), supplying low-voltage dc (LVDC) power to the vehicle's auxiliary system. The proposed charger is a two-stage converter wherein the first-stage consists of front-end Totem-pole power factor correction (PFC) circuit with an integrated ripple power compensation (RPC) circuit to absorb the second harmonic ripple power. The second-stage is a dual active bride (DAB), used to control the power to/from the main battery. To facilitate the APM mode of operation, the first-stage circuitry is reconfigured to form an interleaved buck converter to supply high current to the LVDC bus. In addition, the dc conversion ratio of DAB is maintained near unity by adjusting the winding configuration of the transformer ensuring soft-switching in all the operating modes. The high dc link voltage requirement of the integrated RPC is addressed by using a novel RPC control methodology, thereby facilitating the use of 650 V GaN switches in the converter. Detailed simulation studies are carried out to predict the performance of the converter for all the modes of operation, and these results are experimentally validated on a 7.2 kW laboratory prototype.
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SunView 深度解读

从阳光电源新能源业务协同视角看,这项GaN基多功能车载充电器技术具有显著的战略价值。该技术通过两级拓扑架构实现了主电池充电、V2G双向功率流动以及辅助电源模块功能的集成,这与我司在光储充一体化解决方案中的技术路线高度契合。

技术亮点方面,前级Totem-pole PFC电路集成纹波功率补偿回路,有效抑制二次谐波,这对提升充电系统的电能质量和延长储能电池寿命具有实际意义。后级DAB变换器通过变压器绕组配置优化实现全工况软开关,可显著降低开关损耗。特别值得关注的是,该方案通过电路重构实现辅助电源功能,消除了独立APM模块,这种集成化思路与我司高功率密度产品开发理念一致,可为车载充电机产品线带来成本和体积优势。

从应用前景看,650V GaN器件的采用代表了功率半导体技术方向,但也带来挑战。GaN器件的高频特性虽能提升功率密度,但其成本、可靠性和散热管理仍需在量产中验证。对阳光电源而言,该技术可与现有储能变流器技术形成协同:V2G功能可增强光储充系统的灵活性,使电动汽车成为分布式储能节点;多功能集成设计可降低系统物料成本15-20%。

建议重点关注RPC控制算法在高压直流母线下的稳定性,以及7.2kW原型向更大功率等级扩展的可行性。该技术若能与我司微逆变器的拓扑优化经验结合,有望在充电桩业务板块形成差异化竞争优势。