一种基于GaN三模块并联的高电压高功率车载充电机系统的制作方法

本发明涉及电力电子及新能源汽车充电，尤其涉及一种基于 gan 三模块并联的高电压高功率车载充电机系统。

背景技术：

1、随着新能源汽车技术的快速发展，车载充电机系统以及电子电力控制中存在的问题逐渐显露出来：

2、1.高压平台适配能力不足

3、现有车载充电机（on-board charger，obc）多面向 400v 电池平台设计，难以满足800v 高压平台需求。

4、2.氮化镓（gan）器件高压应用受限

5、gan功率器件具有高频、高效率和高功率密度优势，但在800v obc中直接应用时，器件电压应力较高，对拓扑结构和系统设计提出更高要求。

6、3.功率调度不灵活

7、系统难以根据不同充电功率需求选择最优模块数量，导致轻载或中载效率不足。

8、4.冗余能力不足单一功率模块故障时，系统容易整机停机，影响充电可靠性。

技术实现思路

1、为了解决以上问题，本发明提出一种将 gan 功率器件、三电平有源中点钳位（active neutral-point clamped, anpc）高压适配结构以及三模块系统级功率调度控制相结合的车载充电机系统，该系统适用于新能源汽车，特别是800v高压平台电动汽车的车载交流充电及双向能量交互应用，可以提高 800v 平台下的效率、可靠性及功率适配能力。

2、为此，本发明第一方面提出一种基于gan三模块并联的高电压高功率车载充电机系统，该系统包括交流输入单元、直流母线单元、高压电池接口单元、三个并联设置的gan功率模块和系统控制模块；

3、其中，每一个gan 功率模块包括前级ac-dc功率因子校正单元和后级dc-dc隔离变换单元；

4、所述后级 dc-dc 隔离变换单元采用三电平anpc谐振变换结构，用于降低 gan 功率器件在高压电池平台下的电压应力，并实现所述直流母线单元与所述高压电池接口单元之间的隔离能量转换；

5、所述系统控制模块被配置为根据目标输出功率、各gan功率模块的运行效率、输出电流、温度状态及故障状态，选择启用一个、两个或三个gan功率模块，并对运行中的gan功率模块进行功率分配和均流控制；

6、当任一gan功率模块发生异常时，所述系统控制模块控制该异常gan功率模块降额运行或退出运行，并控制其余正常 gan 功率模块继续输出功率，从而实现功率可调、效率优化、均流运行及冗余供电。

7、进一步，高压电池接口单元适用于800v电动汽车高压电池平台。

8、进一步，单个 gan 功率模块运行时输出约6.6kw，三个gan功率模块并联运行时输出约22kw。

9、进一步，所述系统控制模块根据目标功率需求选择单模块、双模块或三模块运行。

10、进一步，所述系统控制模块根据各gan功率模块输出电流进行均流控制，使运行模块之间的输出电流偏差保持在预设范围内。

11、进一步，所述系统控制模块根据各gan功率模块的温度状态调整对应模块的输出功率。

12、进一步，其中所述异常包括过温、过流、过压、驱动异常、通信异常或绝缘异常中的至少一种。

13、进一步，异常gan功率模块退出后，其余正常gan功率模块继续运行，并根据剩余模块能力进行降额输出。

14、进一步，所述前级ac-dc 功率因子校正单元采用交错并联无桥pfc拓扑。

15、进一步，所述交错并联无桥pfc拓扑为两相交错并联 totem-pole 无桥 pfc 拓扑。

16、进一步，所述后级dc-dc 隔离变换单元采用三电平 anpc clllc 谐振变换拓扑。

17、进一步，所述三电平anpc clllc谐振变换拓扑包括三电平anpc桥臂、clllc谐振网络和高频隔离变压器。

18、进一步，所述三电平 anpc 桥臂包括主功率开关和箝位开关，所述箝位开关用于连接直流母线中点与桥臂中间节点，以降低单个gan功率器件的电压应力。

19、进一步，所述车载充电机系统支持正向充电模式和反向放电模式。

20、进一步，所述反向放电模式包括v2g、v2h或v2l中的至少一种。

21、本发明第二方面提出一种基于上述充电机系统的控制方法：

22、s1.车辆接入交流电源后，控制模块读取 bms 充电需求及系统状态；

23、s2控制模块根据目标功率、电池电压、模块温度及模块效率区间，判断启用模块数量；

24、s3.被启用的 gan 功率模块并联输出，并通过均流控制保持各模块输出电流平衡；

25、s4.每个模块内，前级ac-dc 单元完成整流及功率因子校正；

26、s5.后级三电平anpc clllc单元完成直流母线与800v高压电池之间的隔离能量转换；

27、s6.当检测到某一gan功率模块过温、过流、过压、通信异常或驱动异常时，控制模块使该gan功率模块降额运行或退出运行；

28、s7.其余正常gan功率模块继续输出，实现降功率不停机运行；

29、s8.充电完成后，系统按控制策略关闭相应模块。

30、进一步，在可选的双向模式下，系统可将高压电池能量反向输出至电网、家庭负载或外部负载。

31、本发明提出基于gan三模块并联的高电压高功率车载充电机系统和控制方法，通过三模块并联系统级控制和三电平anpc高压适配结构的组合，实现高电压、高功率、高效率和高可靠性的车载充电机系统。可支持800v高压平台及22kw高功率交流充电、通过三电平anpc 结构降低gan器件在高压平台下的电压应力、根据功率需求自动启用一个、两个或三个功率模块、兼容单相及三相交流输入。支持v2g、v2h、v2l等双向能量交互，在模块异常时实现故障降额或冗余运行。

1.一种基于 gan 三模块并联的高电压高功率车载充电机系统，该系统包括交流输入单元、直流母线单元、高压电池接口单元、三个并联设置的 gan 功率模块和系统控制模块，其特征在于；

2.根据权利要求1所述的车载充电机系统，其特征还在于，高压电池接口单元适用于800v 电动汽车高压电池平台。

3.根据权利要求1所述的车载充电机系统，其特征还在于，所述系统控制模块根据目标功率需求选择单模块、双模块或三模块运行。

4.根据权利要求1所述的车载充电机系统，其特征还在于，所述系统控制模块根据各gan 功率模块输出电流进行均流控制，使运行模块之间的输出电流偏差保持在预设范围内，所述系统控制模块根据各 gan 功率模块的温度状态调整对应模块的输出功率。

5.根据权利要求1所述的车载充电机系统，其特征还在于，其中所述异常包括过温、过流、过压、驱动异常、通信异常或绝缘异常中的至少一种，异常 gan 功率模块退出后，其余正常 gan 功率模块继续运行，并根据剩余模块能力进行降额输出。

6.根据权利要求1所述的车载充电机系统，其特征还在于，所述前级 ac-dc 功率因子校正单元采用交错并联无桥 pfc 拓扑，所述交错并联无桥 pfc 拓扑为两相交错并联totem-pole 无桥 pfc 拓扑。

7.根据权利要求1所述的车载充电机系统，其特征还在于，所述后级 dc-dc 隔离变换单元采用三电平 anpc clllc 谐振变换拓扑，所述三电平 anpc clllc 谐振变换拓扑包括三电平 anpc 桥臂、clllc 谐振网络和高频隔离变压器，所述三电平 anpc 桥臂包括主功率开关和箝位开关，所述箝位开关用于连接直流母线中点与桥臂中间节点，以降低单个gan 功率器件的电压应力。

8.根据权利要求1所述的车载充电机系统，其特征还在于，所述车载充电机系统支持正向充电模式和反向放电模式，所述反向放电模式包括 v2g、v2h 或 v2l 中的至少一种。

9.一种基于如权利要求1-8任一项所述的车载充电机系统的控制方法，包括：

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征还在于，在可选的双向模式下，系统可将高压电池能量反向输出至电网、家庭负载或外部负载。