CN106452080A - 一种电动汽车无线充电用逆变器 - Google Patents

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Abstract

一种电动汽车无线充电用逆变器，其特征在于采用了带辅助网络的电流增强型逆变器拓扑，包括超前臂，滞后臂，辅助网络，线圈原边Tr，线圈副边TN，输出整流，原边补偿电感Lr，副边补偿电感Lf，补偿电容Cf，负载RLd。逆变器利用辅助网络的储能与释放提高滞后臂开关时的电流大小，加速滞后臂并联电容充放电过程，实现开关管零电压钳位，并进而实现ZVS(零电压开关型)软开关，提高滞后臂软开关能力。

Description

一种电动汽车无线充电用逆变器
技术领域
本发明涉及一种用于电动汽车的逆变器。
背景技术
随着环境污染问题日益严重，能源危机日益迫睫，大力发展以电动汽车为代表的新能源汽车有着重要意义。而电动汽车配套充电设施的建设，充电***的安全性、便利性等都对电动汽车的发展和推广有着重要的影响。电动汽车无线充电相比传统有线充电方式具有安全性高，便利性好，设施成本低，更利于智能化实现等一系列优势，研究电动汽车的无线充电有着重要意义。
在电动汽车电池充电过程中会存额定电流充电、小电流充电等多种工况，***负载和功率输出范围较宽，要求电动汽车充电***具有较宽的功率输出范围。无线充电***的输出控制有多种手段，如DC-DC调幅控制，逆变器输出控制，谐振网络补偿参数控制等，逆变器输出控制因其无需增加额外电路器件，成本低易于实现等特点更为常用。其中移相控制相比调频控制具有不依赖***频率特性的特点，具有更好的适应性。
与常见全桥电压型移相逆变器不同，无线充电***中移相全桥逆变器具有自己的特点。目前在无线***中，对逆变器的研究较少。一般传统的传统逆变器对于辅助网络的设计比较少，实现ZVS(零电压开关)大多采用软件控制，如中国专利CN201510084358.1“基于频率跟踪的无线输电***ZVS软开关实现装置及方法”通过电路采集变压器副边信息，根据采集信息对原边MOS管进行控制，通过频率调节实现ZVS。这种方式反应慢，对***资源要求高，***稳定性较差。
发明内容
本发明的目的是克服传统电压型逆变器滞后桥臂难以实现零电压开关(ZVS)，占空比容易丢失，以及由于副边整流二极管电压振荡，带来额外的电路损耗，并威胁整流二极管的安全等缺点，提出一种电动汽车无线充电用逆变器。
本发明电动汽车无线充电用逆变器采用带辅助网络的电流增强型拓扑，包括超前臂，滞后臂，辅助网络，线圈原边Tr，线圈副边TN，输出整流，原边补偿电感Lr，副边补偿电感Lf，补偿电容Cf，以及负载RLd。
直流电压信号Uin经过超前臂和滞后臂逆变后变成高频交流信号，高频交流信号通过线圈原边Tr发送给线圈副边TN，线圈副边TN接收的交流信号经过输出整流转换为直流信号，直流信号对负载RLd充电。本发明逆变器中无线能量通过线圈原边Tr和线圈副边TN进行传输。
所述的超前臂包括MOSFET管Q1、MOSFET管Q3，二极管D1，二极管D3，电容C1，电容C3。滞后臂包括MOSFET管Q2、MOSFET管Q4，二极管D2，二极管D4，电容C2，电容C4。辅助网络包括电感La，电容Ca1，电容Ca2，二极管Da1，二极管Da2。输出整流包括整流二极管DR1，DR2，滤波电容CDR1和CDR2。
超前臂的MOSFET管Q1的漏极连接滞后臂MOSFET管Q2的漏极，MOSFET管Q3的源极连接滞后臂MOSFET管Q4的源极，超前臂的A点连接原边补偿电感Lr的一端，原边补偿电感Lr的另一端连接线圈原边Tr的一端，线圈原边Tr的另一端连接滞后臂的B点。滞后臂MOSFET管Q2的漏极连接辅助网络二极管Da1的阳极，滞后臂MOSFET管Q4的源极连接辅助网络二极管Da2的阴极。滞后臂的B点连接辅助网络电感La的一端。线圈副边TN的1输出端连接输出整流二极管DR1的阴极，线圈副边TN的3输出端连接输出整流二极管DR2的阴极，线圈副边TN的3输出端连接负载RLd的一端。负载RLd的另一端与副边补偿电感Lf连接，负载RLd与电容Cf并联连接。
所述超前臂内部器件的连接方式为：MOSFET管Q1的源极连接MOSFET管Q3的漏极。电容C1与二极管D1并联，二极管D1的阳极连接MOSFET管Q1的漏极，二极管D1的阴极连接MOSFET管Q1的源极。电容C3与二极管D3并联，二极管D3的阳极连接MOSFET管Q3的漏极，二极管D3的阴极连接MOSFET管Q3的源极。
滞后臂内部器件的连接方式与超前臂的连接方式相同。MOSFET管Q2的源极连接MOSFET管Q4的漏极。电容C2与二极管D2并联，二极管D2的阳极连接MOSFET管Q2的漏极，二极管D2的阴极连接MOSFET管Q2的源极。电容C4与二极管D4并联，二极管D4的阳极连接MOSFET管Q4的漏极，二极管D4的阴极连接MOSFET管Q4的源极。
辅助网络中，二极管Da1的阴极与二极管Da2的阳极相连，二极管Da1的阴极连接电感La的一端，二极管Da1与电容Ca1并联连接，二极管Da2与电容Ca2并联连接。输出整流的连接方式为二极管DR1的阴极和二极管DR2的阴极连接，电容CDR1和二极管DR1并联连接，电容CDR2和二极管DR2并联连接。
输出整流中，二极管DR1的阴极和二极管DR2的阴极连接，电容CDR1和二极管DR1并联连接，电容CDR2和二极管DR2并联连接。
本发明逆变器相比传统移相逆变器增加了由电感La、电容Ca1和Ca2、二极管Da1和Da2组成的辅助网络。当MOSFET管Q4关断时，原边电流iP和辅助网络电感电流iLa同时流入滞后臂的B点；而当Q2关断时，iP和iLa同时流出滞后臂的B点，因此在MOSFET管Q2和MOSFET管Q4开通及关断时，原边电流和辅助网络电感电流同时流出或流入滞后臂的B点，两个电流是相互叠加的，这两个电流同时给滞后臂的电容C2、C4充放电，使得变换器即使工作在轻载情况下，在MOSFET管Q2和MOSFET管Q4开通/关断信号到来前抽出/充满该管结电容或并联电容的全部电荷，实现零电压开通/关断。
本发明逆变器利用辅助网络的储能与释放提高滞后臂开关时的电流大小，加速滞后臂并联电容充放电过程，实现开关管零电压钳位，并进而实现ZVS，提高滞后臂软开关能力。
本发明逆变器辅助网络中电感值的大小还与辅助网络中二极管电流尖峰的大小密切相关，因此还需要对电感进行参数优化来降低二极管尖峰电流。同时实际***的搭建过程中还需要兼顾电感的体积损耗。结合实验调试，最终优化后的辅助网络中电感、电容的参数为：电感La＝24uH,电容Ca1＝电容Ca2＝4.8nF。
附图说明
图1本发明的电动汽车无线充电宽调功范围逆变器结构图。
具体实施方式
以下结合附图对具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明逆变器采用带辅助网络的电流增强型拓扑，包括超前臂，滞后臂，辅助网络，线圈原边Tr，线圈副边TN，输出整流，原边补偿电感Lr，副边补偿电感Lf，补偿电容Cf，以及负载RLd。
直流电压信号Uin经过超前臂和滞后臂逆变后变成高频交流信号，高频交流信号通过线圈原边Tr发送给线圈副边TN，线圈副边TN接收的交流信号经过输出整流网络转换为直流信号，直流信号对负载充电。电动汽车无线充电宽调功范围逆变器中无线能量传输通过线圈原边Tr和线圈副边TN进行传输。
超前臂包括MOSFET管Q1、MOSFET管Q3，二极管D1，二极管D3，电容C1，电容C3。滞后臂包括MOSFET管Q2、MOSFET管Q4，二极管D2，二极管D4，电容C2，电容C4。辅助网络包括电感La，电容Ca1，电容Ca2，二极管Da1，二极管Da2。输出整流包括整流二极管DR1，DR2，滤波电容CDR1和CDR2。
如图1所示，超前臂中MOSFET管Q1的漏极连接滞后臂MOSFET管Q2的漏极，超前臂中MOSFET管Q3的源极连接滞后臂MOSFET管Q4的源极，超前臂的A点连接原边补偿电感Lr的一端，原边补偿电感Lr的另一端连接线圈原边Tr一端，线圈原边Tr的另一端连接滞后臂的B点。滞后臂MOSFET管Q2的漏极连接辅助网络二极管Da1的阳极，滞后臂MOSFET管Q4的源极连接辅助网络二极管Da2的阴极。滞后臂的B点连接辅助网络电感La的一端。线圈副边TN的1输出端连接输出整流二极管DR1的阴极，线圈副边TN的3输出端连接输出整流二极管DR2的阴极，线圈副边TN的3输出端连接负载RLd的一端。负载RLd的另一端与副边补偿电感Lf连接，负载RLd与电容Cf并联连接。
如图1所示，超前臂内部器件的连接方式为：MOSFET管Q1的源极连接MOSFET管Q3的漏极。电容C1与二极管D1并联，二极管D1的阳极连接MOSFET管Q1的漏极，二极管D1的阴极连接MOSFET管Q1的源极。电容C3与二极管D3并联，二极管D3的阳极连接MOSFET管Q3的漏极，二极管D3的阴极连接MOSFET管Q3的源极。
如图1所示，滞后臂内部器件的连接方式与超前臂的连接方式相同。MOSFET管Q2的源极连接MOSFET管Q4的漏极。电容C2与二极管D2并联，二极管D2的阳极连接MOSFET管Q2的漏极，二极管D2的阴极连接MOSFET管Q2的源极。电容C4与二极管D4并联，二极管D4的阳极连接MOSFET管Q4的漏极，二极管D4的阴极连接MOSFET管Q4的源极。
如图1所示，辅助网络中，二极管Da1的阴极与二极管Da2的阳极相连，二极管Da1的阴极连接电感La的一端，二极管Da1与电容Ca1并联连接，二极管Da2与电容Ca2并联连接。
如图1所示，输出整流中，二极管DR1的阴极和二极管DR2的阴极连接，电容CDR1和二极管DR1并联连接，电容CDR2和二极管DR2并联连接。
本发明逆变器相比传统移相逆变器增加了由电感La、电容Ca1和Ca2、二极管Da1和Da2组成的辅助网络。当MOSFET管Q4关断时，原边电流iP和辅助网络电感电流iLa同时流入滞后臂的B点；而当MOSFET管Q2关断时，原边电流iP和辅助网络电感电流iLa同时流出滞后臂的B点，因此在MOSFET管Q2和MOSFET管Q4开通及关断时，原边电流iP和辅助网络电感电流iLa同时流出或流入滞后臂的B点，两个电流是相互叠加的，这两个电流同时给滞后臂的电容C2、C4充放电，使得变逆器即使工作在轻载情况下，在MOSFET管Q2和MOSFET管Q4开通/关断信号到来前抽出/充满该管结电容或并联电容的全部电荷，实现零电压开通/关断。
电动汽车无线充电宽调功范围逆变器通过增加辅助网络，利用辅助网络的储能与释放提高滞后臂开关时的电流大小，加速滞后臂并联电容充放电过程，实现开关管零电压钳位，并进而实现ZVS，提高滞后臂软开关能力。
本发明逆变器辅助网络中电感值的大小还与辅助网络中二极管电流尖峰的大小密切相关，因此还需要对电感进行参数优化来降低二极管尖峰电流。同时实际***的搭建过程中还需要兼顾电感的体积损耗。结合实验调试，最终优化后的辅助网络的电感、电容参数为：La＝24uH,Ca1＝Ca2＝4.8nF。通过增加辅助网络，利用辅助网络的储能与释放提高滞后臂开关时的电流大小，加速滞后臂并联电容充放电过程，实现开关管零电压钳位，并进而实现ZVS，提高滞后臂软开关能力。
根据上述对逆变器的分析，为了实现逆变器移相工作时的零电压开关，辅助网络必须满足MOSFET管Q2和MOSFET管Q4开通之前将电容电荷放到零的条件，也即：
同时，为满足宽负载范围内的ZVS，当变换器空载，即ip＝0时，应满足以下关系：
其中，L1为Lr与La串联后的值，L1＝Lr*La/(Lr+La)，Lr为原边补偿电感，La为辅助网络电感。Clag为滞后臂并联的电容，即电容C2或C4。ip为原边补偿电感电流，ia辅助网络电感La的电流、Vin为***输入直流电压。
辅助网络中电感值的大小还与辅助网络中二极管电流尖峰的大小密切相关，因此还需要对其进行参数优化来降低二极管尖峰电流。同时实际***的搭建过程中还需要兼顾电感的体积损耗。结合实验调试，最终优化后的辅助网络中电感、电容的参数为：La＝24uH,Ca1＝Ca2＝4.8nF。

Claims (7)

1.一种电动汽车无线充电用逆变器，其特征在于：所述的逆变器采用带辅助网络的电流增强型拓扑，包括超前臂，滞后臂，辅助网络，线圈原边Tr，线圈副边TN，输出整流，原边补偿电感Lr，副边补偿电感Lf，补偿电容Cf，以及负载RLd；直流电压信号Uin经过超前臂和滞后臂逆变后变成高频交流信号，高频交流信号通过线圈原边Tr发送给线圈副边TN，线圈副边TN接收的交流信号经过输出整流网络转换为直流信号，直流信号对负载充电；
超前臂的MOSFET管Q1的漏极连接滞后臂MOSFET管Q2的漏极，MOSFET管Q3的源极连接滞后臂MOSFET管Q4的源极，超前臂的A点连接原边补偿电感Lr的一端，原边补偿电感Lr的另一端连接线圈原边Tr的一端，线圈原边Tr的另一端连接滞后臂的B点；滞后臂MOSFET管Q2的漏极连接辅助网络二极管Da1的阳极，滞后臂MOSFET管Q4的源极连接辅助网络二极管Da2的阴极；滞后臂的B点连接辅助网络电感La的一端；线圈副边TN的1输出端连接输出整流二极管DR1的阴极，线圈副边TN的3输出端连接输出整流二极管DR2的阴极，线圈副边TN的3输出端连接负载RLd的一端；负载RLd的另一端与副边补偿电感Lf连接，负载RLd与电容Cf并联连接。
2.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电用逆变器，其特征在于：所述的超前臂中，MOSFET管Q1的源极连接MOSFET管Q3的漏极；电容C1与二极管D1并联，二极管D1的阳极连接MOSFET管Q1的漏极，二极管D1的阴极连接MOSFET管Q1的源极；电容C3与二极管D3并联，二极管D3的阳极连接MOSFET管Q3的漏极，二极管D3的阴极连接MOSFET管Q3的源极。
3.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电用逆变器，其特征在于：所述的滞后臂中，MOSFET管Q2的源极连接MOSFET管Q4的漏极；电容C2与二极管D2并联，二极管D2的阳极连接MOSFET管Q2的漏极，二极管D2的阴极连接MOSFET管Q2的源极；电容C4与二极管D4并联，二极管D4的阳极连接MOSFET管Q4的漏极，二极管D4的阴极连接MOSFET管Q4的源极。
4.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电用逆变器，其特征在于：所述的辅助网络中，二极管Da1的阴极与二极管Da2的阳极相连，二极管Da1的阴极连接电感La的一端，二极管Da1与电容Ca1并联连接，二极管Da2与电容Ca2并联连接；输出整流的连接方式为二极管DR1的阴极和二极管DR2的阴极连接，电容CDR1和二极管DR1并联连接，电容CDR2和二极管DR2并联连接。
5.根据权利要求4所述的电动汽车无线充电用逆变器，其特征在于：所述的辅助电路中，电感、电容的参数为：电感La＝24uH,电容Ca1＝电容Ca2＝4.8nF。
6.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电用逆变器，其特征在于：当MOSFET管Q4关断时，原边电流iP和辅助网络电感电流iLa同时流入滞后臂的B点；而当MOSFET管Q2关断时，原边电流iP和辅助网络电感电流iPiLa同时流出滞后臂的B点，因此在MOSFET管Q2和MOSFET管Q4开通及关断时，原边电流iP和辅助网络电感电流iP同时流出或流入滞后臂的B点，两个电流是相互叠加的，这两个电流同时给滞后臂的电容C2、C4充放电，使得变逆器即使工作在轻载情况下，在MOSFET管Q2和MOSFET管Q4开通/关断信号到来前抽出/充满该管结电容或并联电容的全部电荷，实现零电压开通/关断。
7.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电用逆变器，其特征在于：为了实现所述逆变器移相工作时的零电压开关，所述的辅助网络必须满足MOSFET管Q2和MOSFET管Q4开通之前将电容电荷放到零的条件，也即：
1 2 L 1 * ( i p + i a ) 2 > C l a g V i n 2 - - - ( 1 )
同时，为满足宽负载范围内的ZVS，当变换器空载，即ip＝0时，应满足以下关系：
1 2 L 1 * i a 2 > C l a g V i n 2 - - - ( 2 )
其中，L1为Lr与La串联后的值，L1＝Lr*La/(Lr+La)，Lr为原边补偿电感，La为辅助网络电感；Clag为滞后臂并联的电容，即电容C2或C4；ip为原边补偿电感电流，ia为辅助网络电感La的电流、Vin为***输入直流电压。
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