摘要
在“碳达峰、碳中和”的大时代背景下，新能源汽车迎来了高速发展，而作为其核心部件之一的车载充电机，也迎来了小型化、高效率等新的发展方向。目前，多数车载充电机使用的是普通的SiMOS作为功率开关器件，导致充电机开关频率较低，整体体积偏大。为此，本文以新型半导体GaN为主要功率开关器件，完成了两级式车载充电机的设计与控制。 本文首先分析了两级式车载充电机常用拓扑结构的优缺点，确定了本文所设计的两级式车载充电机的整体结构，即以图腾柱无桥PFC变换器为前级AC/DC变换器，CLLLC谐振变换器为后级DC/DC变换器。 随后，分析了前后级变换器的工作原理以及控制策略。对于前级图腾柱无桥PFC，首先分析了电流断续模式下的工作原理以及电路特性，指出电流断续模式虽然可以实现开关管零电压开通，但由于其输入电流峰值较大，输出功率等级较低等缺点，导致其应用场合比较受限。针对这一问题，引出了基于GaN器件的图腾柱无桥PFC，分析了其在电流连续模式下的工作原理及控制策略。之后，分析了电流连续模式下输入电流畸变原因，并采用相应的控制算法对其进行优化。对于后级CLLLC谐振变换器，首先分析了其工作原理，之后通过建立其等效电路模型分析了电路特性并给出本文所采用的控制策略。此外，为了实现宽电压范围输出，且让后级能够工作在谐振点附近，本文采用了变直流母线电压的控制方法，通过前后级之间的相互配合，提高了整机的转化效率。 本文最后给出了所设计的车载充电机的整体硬件设计方案，包括前后级变换器主电路元器件参数设计及选型、采样电路设计、软启电路设计、辅助电源设计等。针对GaN器件的应用，分析了寄生参数对其工作性能的影响，并给出了具体的优化方案。之后，通过Simulink仿真软件验证了控制策略的有效性，并通过所搭建样机完成了实验验证。
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