高效高功率密度车载双向电能变换器设计

肖蕙蕙，李茂丽，杨 奕

（1.重庆理工大学电气与电子工程学院，重庆400054；2.重庆能源互联网工程技术研究中心，重庆理工大学， 重庆400054）

电动汽车作为中国汽车市场的重要组成部分，在充电接入电网时，给电力系统稳定性等方面带来了不同的挑战和新的机遇[1]。 电动汽车的动力电池组可等效为一个移动分布式储能单元，夜晚利用用电低谷时段进行充电G2V（grid to vehicle），白天在用电高峰时将多余的电能返还给电网V2G（vehicle to grid）[2]。 文献[3]对电动汽车车载充电机的设计仅分析了动力电池充电部分，电能仅从电网侧流向电动汽车，没有实现能量的双向流动。 文献[4]中ACDC 变换采用Boost 型APFC 提高功率因数，该方案难以实现能量的双向流动。

本文前级AC-DC 部分采用4 个GaN 开关管组成全桥电路， 采用PWM 整流可以提高功率因数，实现整流逆变双向变换。 GaN 与硅器件相比，其开关过程的反向恢复时间可忽略不计，高速、高电子密度、 高开关频率可减少滤波器和无源器件的使用，从而减小系统尺寸和重量，提升功率密度，降低损耗。 本文2 kW 系统采用散热片和风冷的冷却方式，逆变效率达98%。

1 整体方案设计

针对目前车载电能变换器应具有高功率因数、高效率、低谐波、小输出纹波等要求，本文研究设计的双向车载电能变换器主要由滤波器、双向AC-DC变换器以及双向DC-DC 变换器组成。 电网给动力电池组充电状态时，该电能变换器结构框图如图1所示。

图1 充电状态下变换器的结构框图Fig. 1 Block diagram of converter structure in charging state

前级AC-DC 变换器为PWM 整流，输入电流跟踪输入电压提高功率因数，同时减小输入电流谐波对电网的影响，并为后级电路提供稳定的高压直流母线电压；……