基于SiC MOSFET的无线充电高频电源的设计与实现

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自2007年MIT提出磁耦合谐振式无线充电技术以来,全世界掀起了研究无线充电技术热潮。无线充电技术应用于电动汽车,作为现有电动汽车有线充电方式的重要补充,具有安全、便捷、易维护等诸多优势,未来将极具发展前景。本文首先阐述了用于电动汽车的无线充电技术的背景和发展状况,阐明了研究无线充电高频电源的意义。本文选择新型SiC器件作为高频电源的核心元件,作为在新技术上的应用探索。本文介绍了电动汽车无线充电系统的基本结构,并且将高频电源后级的谐振耦合线圈及其补偿网络、车载电力电子装置、车载电池系统全部看作电源的负载。在此认识上,分析高频电源的负载特性,主要包括谐振耦合线圈与车载电池的简化模型,并且根据负载需求确定了高频电源的设计指标。然后介绍了目前无线充电研究中常用的几种高频逆变器的拓扑结构,并通过比较各拓扑的特性,选择全桥结构作为样机的拓扑结构。本文阐明了无线充电系统的工作频率和功率控制问题。由于工作频率很高,必须要慎重考虑开关管的控制问题。通过对比脉宽调制和移相调制的基本原理,选择更适合高频工作条件的移相调制技术。通过最基本的理论分析,本文给出了所选择拓扑的工作模态,作为仿真和实验的基础。本文完成了高频电源的电路拓扑结构和详细的理论计算,并考虑到后续大功率实验,在选择元器件时预留了充足的裕量,所设计高频电源的输出指标为额定功率4.6kW,额定电压460V,额定电流10A,额定频率85kHz。本文根据车载电池的充电特性,为高频电源分别设定了恒流输出和恒压输出两种工作模式,并据此给出了算法流程,编写了软件。根据选择的元件参数,搭建了 MATLAB/Simulink仿真电路,并讨论了几种不同负载情况下的仿真结果。本文最后介绍了样机的搭建和实验过程,对各子模块和系统分别做了大量的测试,通过级联磁耦合谐振线圈和灯泡负载,验证了 WPT高频电源的功能。
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