CN107231032A - 一种集中散热式大功率的直流充电模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种集中散热式大功率直流充电模块的设计，直流充电模块接收非车载直流充电机控制器的输出指令，将三相四线交流电转换成电动汽车需要的直流电。本发明的直流充电模块的主回路发热功率器件安装在散热器上集中散热，直流充电模块控制器和PWM隔离驱动电路封装在导热壳体内，导热壳体与散热器隔离实现隔热，而且提高了控制器IP防护等级，有效提高可靠性；直流充电电路采用IGBT或SIC模块，有效提高了直流充电模块输出功率和可靠性。

Description

一种集中散热式大功率的直流充电模块

技术领域

本发明涉及充电桩充电技术领域，特别涉及一种集中散热式大功率的直流充电模块。

背景技术

直流充电机根据电动汽车电池管理系统的实时需求，将三相四线380VAC交流输入隔离转换成需要的直流能量(BMS实时的需求电压、需求电流)并对电动汽车的电池组进行充电。直流充电机的功率转换部是直流充电模块，现阶段使用的直流充电模块采用的方案是电信机房中使用的主动风冷式直流充电模块，其隐患相当明显：

1、在15KW功率密度较高的直流充电模块中，采用集成度相当高的DSP单片机和数字逻辑电路实行采样控制，器件管脚间距小，三防涂层一旦被腐蚀，线路板直接损坏，严重的会造成短路或炸机。

2、一般的15KW功率密度较高的主动风冷式直流充电模块内部使用了2个小直流风机(尺寸受限制)，模块的散热完全依赖于直流风机，风机的使用寿命直接决定了模块的使用寿命。但是直流风机体格越小，内部的零件脆弱，容易损坏，散热效果不佳，在主动风冷的工作模式下，温度、粉尘、潮湿、油污、霉变、盐雾、化学物质等等各类因素严重的损害着直流风机使用寿命。

3、在15KW功率密度较高的直流充电模块中，大容值电容都是使用了电解液式的铝电解电容，单个直流充电模块满载输出时的温升约18℃，部分靠近模块内部散热器的电解温升＞30℃，高温恶劣环境将严重的影响铝电解电容的使用寿命。

4、传统的直流充电模块的拓扑结构是采用无桥维也纳整流电路和基于三电平的LLC谐振电路，使用了大量的场效应管并联来实现大功率的输出，结构复杂，元件太多，增加了成本。

5、其他传统的直流充电模块个体体积小，输出功率较小，而市场上所需求主要生产的直流充电模块最大输出功率一般为15kw，小功率输出的直流充电模块满足不了市场的需求。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种直流充电模块，旨在提高模块可靠性。

为实现上述目的，本发明提出的一种直流充电模块，其特征在于，包括交流EMI滤波电路、工频整流电路、PFC电路、LLC全桥谐振电路、高频变压器、高频整流电路和防倒灌直流输出电路、PWM隔离驱动控制电路、控制器，其中交流EMI滤波电路的输入端引入三相交流电，交流EMI滤波电路的输出端连接工频整流电路的输入端，工频整流电路的输出端连接PFC电路的输入端，PFC电路的输出端连接LLC全桥谐振电路，LLC全桥谐振电路的输出端与高频变压器的初级线圈连接，高频变压器的次组线圈与高频整流电路的输入端连接，高频整流电路的输出端与防倒灌直流输出电路的输入端连接，防倒灌直流输出电路的输出端输出直流电，控制器通过PWM隔离驱动控制电路与PFC电路及LLC全桥谐振电路连接，高频整流电路的输出参数通过PWM隔离驱动控制电路采样回控制器。

优选地，开关器件既可以采用绝缘栅双极型晶体管IGBT器件，又可以采用碳化硅SIC功率模块。开关器件额定电流大于200A。功率器件安装在散热器上，散热器是风冷或液冷散热器；直流充电模块控制器和PWM隔离驱动电路封装在导热壳体内，导热壳体与散热器隔离实现隔热。

优选地，所述直流充电模块控制器和PWM隔离驱动电路封装在弱电防水壳体内，一方面与直流充电单元的大功率器件热隔离，有效地防止了温度、粉尘、潮湿、油污、霉变、盐雾、化学物质等各类因素对控制器内部的电子元器件及印刷电路板的严重损害，提高了防尘和防湿气的IP防护等级。

优选地，所述PFC电路包括开关器件Q5、三相桥式整流电路、电容C1和C2、电流互感器T1、电感L1和二极管D7，所述三相桥式整流电路由六个整流管D1、D2、D3、D4、D5和D6构成的三相桥式整流电路，其中Q5的门极与PWM驱动单元连接，Q5的集电极与二极管D7的阳极连接及电感L1的一端连接，Q5的发射极与电流互感器T1初级线圈连接，电流互感器T1的次级线圈与输入电流采样电路的输入端连接，电流互感器T1的初级线圈还与电容C1和C2的一端连接，电容C1的另一端与电感L1的另一端连接，电容C2的另一端与二极管D7的阴极连接，及与输入电压采样电路的输入端连接。

优选地，所述PFC电路还包括设置于脉冲调制单元的隔离驱动侧的电流互感器T1，所述电流互感器T1的一端与整流电路的输出端相连，其另一端与开关管Q5的电流输出端连接，所述电流互感器T1用于提供PFC电路采样峰值电流检测。

优选地，所述LLC全桥谐振电路包括由4个开关管Q1、Q2、Q3、Q4布置成全桥结构的主控开关管，Q1设置为输入侧上桥，Q3设置为输出侧上桥，Q2设置为输入侧下桥，Q4设置为输出侧下桥，其中Q1、Q4互补导通，Q3、Q2互补导通；所述LLC全桥谐振电路还包括与全桥结构主控开关管串联连接的LLC谐振电路，所述LLC谐振电路包括依次串联的谐振电容Cr、谐振电感Lr和激磁电感Lm及与激磁电感Lm相并联的变压器T2，以用于将固定的直流电压变换成可变的直流电压。

优选地，所述整流输出电路设置于LLC全桥谐振电路中变压器T2的副边，所述整流输出电路包括桥式整流电路、电容C3和防倒灌二极管D8，所述电容C3与桥式整流电路并联连接，所述防倒灌二极管D8设置于整流输出电路的正极，所述电容C3为输出电压检测点；所述整流输出电路还包括电阻R1，电阻R1设置在整流输出电路的负极，所述电阻R1为输出电流的检测点。

本发明中，直流充电模块采用模块化结构设计，通过导热外壳封装控制单元，通过导热外壳对大功率发热器件中控制单元进行封装，以便与直流充电单元热隔离，有效地防止了温度、粉尘、潮湿、油污、霉变、盐雾、化学物质等各类因素严重损害直流充电模块的使用寿命及模块内部的电子元器件及印刷电路板，从而导致直流充电模块的不可逆的物理、化学损坏，提高了直流充电模块的国际要求的IP防护等级。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明直流充电模块原理示意图；

图2为本发明直流充电模块原理框图；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明保护是直流充电模块的电源电路的拓扑结构及元件的改进应用。

参照图1-2，本发明公开了一种直流充电模块，直流充电模块接收非车载直流充电机控制器的输出指令，将三相四线交流电转换成电动汽车需要的直流电。

进一步地，所述直流充电模块包括交流EMI滤波电路、工频整流电路、PFC电路、LLC全桥谐振电路、高频变压器、高频整流电路和防倒灌直流输出电路、PWM隔离驱动控制电路、控制器，其中交流EMI滤波电路的输入端引入三相交流电，交流EMI滤波电路的输出端连接工频整流电路的输入端，工频整流电路的输出端连接PFC电路的输入端，PFC电路的输出端连接LLC全桥谐振电路，LLC全桥谐振电路的输出端与高频变压器的初级线圈连接，高频变压器的次组线圈与高频整流电路的输入端连接，高频整流电路的输出端与防倒灌直流输出电路的输入端连接，防倒灌直流输出电路的输出端输出直流电，控制器通过PWM隔离驱动控制电路与PFC电路及LLC全桥谐振电路连接，高频整流电路的输出参数通过PWM隔离驱动控制电路采样回控制器。

本发明实例中PFC电路包括开关器件Q5、三相桥式整流电路、电容C1和C2、电流互感器T1、电感L1和二极管D7，所述三相桥式整流电路由六个整流管D1、D2、D3、D4、D5和D6构成的三相桥式整流电路，其中Q5的门极与PWM驱动单元连接，Q5的集电极与二极管D7的阳极连接及电感L1的一端连接，Q5的发射极与电流互感器T1初级线圈连接，电流互感器T1的次级线圈与输入电流采样电路的输入端连接，电流互感器T1的初级线圈还与电容C1和C2的一端连接，电容C1的另一端与电感L1的另一端连接，电容C2的另一端与二极管D7的阴极连接，及与输入电压采样电路的输入端连接。

本发明实例中LLC全桥谐振电路包括四个开关器件及其外围电路，开关器件分别是Q1、Q2、Q3、Q4,其中Q1的门极、Q2的门极、Q3的门极、Q4的门极均与PWM驱动单元连接，Q1的发射极、Q2的集电极、Q3的发射极、Q4的集电极都与高频变压器T2的初级线圈连接，Q1的集电极及Q3的集电极与与二极管D7的阴极连接，Q2的发射极及Q4的发射极都与与高频变压器T2的初级线圈连接；上述其外围电路包括谐振电感Lr、谐振电容Cr和激磁电感Lm，谐振电感Lr的一端与Q3的发射极及Q4的集电极连接，谐振电感Lr的另一端与谐振电容Cr的阳极连接，谐振电容Cr的阴极与高频变压器T2的初级线圈的一端连接，高频变压器T2的初级线圈的另一端连接Q1的发射极及Q2的集电极，激磁电感Lm的两端分别连接高频变压器T2的初级线圈的两端。

本发明实例中高频整流电路包括由二极管D9、D10、D11、D12组成的桥式整流电路；所述防倒灌直流输出电路包括二极管D8、电容C3和电阻R1，二极管D8的阳极与由二极管D9、D10、D11、D12组成的桥式整流电路的输出端连接，二极管D8的阴极与充电机的直流母线的正极U0+连接，电容C3的阳极连接于二极管D8的阳极与由二极管D9、D10、D11、D12组成的桥式整流电路的输出端之间及输出电压采样电路的输入端连接，电容C3的阴极与充电机的直流母线的负极U0-连接及输出电压采样电路的输出端连接，电阻R1串联于电容C3与充电机的直流母线的负极U0-之间，且与输出电流采样电路的输入端连接。

本发明实例中直流充电模块中开关器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5采用绝缘栅双极型晶体管IGBT器件或碳化硅SIC功率模块，且开关器件额定电流大于200A。

本发明实例中直流充电模块开关器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5以及功率二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11、D12均为功率器件，安装在散热器上；散热器是风冷和/或液冷散热器。

在本发明实施例中，直流充电模块采用模块化结构设计，通过导热外壳对大功率发热器件中控制器进行封装，以便与直流充电模块热隔离，有效地防止了温度、粉尘、潮湿、油污、霉变、盐雾、化学物质等各类因素严重损害直流充电模块的使用寿命及模块内部的电子元器件及印刷电路板，从而导致直流充电模块的不可逆的物理、化学损坏，提高了直流充电模块的国际要求的IP防护等级，尤其提高充电机在恶劣环境下的使用寿命。需要说明一下，IP(INGRESS PROTECTION)防护等级系统是由IEC(INTERNATIONALELECTROTECHNICALCOMMISSION)所起草，将电器依其防尘防湿气之特性加以分级。IP防护等级是两个数字所组成，第1个数字表示电器防尘、防止外物侵入的等组，第2个数字表示电器防湿气、防水侵入的密闭程度，数字越大表示其防护等级越高。

在本发明实施例中，直流充电单元中主回路大功率发热电子元件，包括交流整流二极管，PFC整流电路的开关管、高速整流管，LLC全桥谐振电路的开关管、高速整流管、储能电感、变压器、储能电容等等，均安装在专用的大体积散热器上来散热，散热器通过外围充电机配备的风冷或液冷来散热，结构简单且散热效率很明显。

在本发明实施例中，所述直流充电模块中开关管均采用绝缘栅双极型晶体管IGBT者碳化硅SIC功率模块替代传统直流充电电源模块中使用的场效应管(MOSFET)，碳化硅SIC功率模块具有低切换损耗和耐工作高温的特点，使功率模块在极端条件下实现可靠运行；绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关管速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。在室温条件下，其集电极发射电压可达1200V，平均前向电流为600A，容许的最大直流电流为750A，因此该晶体管具备承受高电压大电流的能力。相同正向导通电流下，使用场效应MOS管的数量是绝缘栅双极型晶体管IGBT的近13倍；与以往电路比较，PFC整流电路中使用场效应管的数量是绝缘栅双极型晶体管的39倍；LLC全桥谐振电路中使用场效应管的数量是绝缘栅双极型晶体管的26倍。故通过绝缘栅双极型晶体管(IGBT)替代传统直流充电电源模块中使用的场效应管(MOSFET)，不仅减少了直流充电模块中元件使用还能承载更大的输出功率。

在本实施例中，通过采样电路对直流充电单元的电压及电流的采样点进行采样，传送采样信息到控制单元，控制单元再根据采样信息结合接收到充电需求，内部运算得出最大允许输出功率指令，传送至PWM驱动单元，PWM驱动单元根据接收到的最大允许输出功率驱动直流充电单元中的开关管，以便保证实际输出功率小于最大允许输出功率。

在本发明实施例中，公开了一种更成熟稳定的直流充电模块的电源电路的拓扑结构，与传统直流充电模块比较，传统直流充电模块使用场效应管作为开关管元件，受限于场效应管耐压不够，传统的PFC整流电路采用无桥维也纳整流技术，传统的LLC全桥谐振电路采用三电平电源技术，开关管元件数量成倍数的增长，元件自身的差异性既导致整机可靠性直线下降，设计裕量导致开关管元件数量直线上升。本发明完全抛弃传统直流充电模块的电源拓扑结构，采用更成熟稳定的电源拓扑结构，PFC整流电路采用成熟的BOOST升压电路，LLC全桥谐振电路舍弃三电平电源部分电路，仅需LLC全桥谐振电路。这样，通过本发明直流充电模块的电源拓扑结构，即减省了元件的使用，提高了直流充电模块的散热效果，延长直流充电模块的使用寿命，又精减了电源拓扑结构，提高了输出功率的最大值。

需要说明一下，控制器与充电机控制器连接，所接收输出电压或电流指令来自于充电机控制器，而充电机控制器所下发的输出电压或电流指令是根据充电机控制器与电动车的BMS系统或者其他具有充电控制功能的车载控制器之间通信连接，通过充电握手阶段所配置的充电参数的分析处理而得到的所需充电的输出电压或电流指令。

在本实施例中，本发明采用PFC整流电路结合LLC全桥谐振电路的双闭环控制PWM脉冲宽度调制技术，通过对控制器发出的命令脉冲的宽度进行隔离调制，等效地获得所需要的模拟波形(含形状和幅值)以驱动电路中开关管的导通或关断。

本发明实例中直流充电模块控制器和PWM隔离驱动电路封装在导热壳体内，直流充电模块控制器及PWM隔离驱动电路与散热器隔离设置，以便隔热。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种集中散热式大功率的直流充电模块，其特征在于，所述直流充电模块包括交流EMI滤波电路、工频整流电路、PFC电路、LLC全桥谐振电路、高频变压器、高频整流电路、防倒灌直流输出电路、PWM隔离驱动控制电路和控制器，其中交流EMI滤波电路的输入端引入三相交流电，交流EMI滤波电路的输出端连接工频整流电路的输入端，工频整流电路的输出端连接PFC电路的输入端，PFC电路的输出端连接LLC全桥谐振电路，LLC全桥谐振电路的输出端与高频变压器的初级线圈连接，高频变压器的次组线圈与高频整流电路的输入端连接，高频整流电路的输出端与防倒灌直流输出电路的输入端连接，防倒灌直流输出电路的输出端输出直流电，控制器通过PWM隔离驱动控制电路与PFC电路及LLC全桥谐振电路连接，高频整流电路的输出参数通过PWM隔离驱动控制电路采样回控制器。

2.如权利要求1所述的集中散热式大功率的直流充电模块，其特征在于，所述PFC电路包括开关器件Q5、三相桥式整流电路、电容C1和C2、电流互感器T1、电感L1和二极管D7，所述三相桥式整流电路由六个整流管D1、D2、D3、D4、D5和D6构成的三相桥式整流电路，其中Q5的门极与PWM驱动单元连接，Q5的集电极与二极管D7的阳极连接及电感L1的一端连接，Q5的发射极与电流互感器T1初级线圈连接，电流互感器T1的次级线圈与输入电流采样电路的输入端连接，电流互感器T1的初级线圈还与电容C1和C2的一端连接，电容C1的另一端与电感L1的另一端连接，电容C2的另一端与二极管D7的阴极连接，及与输入电压采样电路的输入端连接。

3.如利要求1所述的集中散热式大功率的直流充电模块，其特征在于，所述LLC全桥谐振电路包括四个开关器件及其外围电路，开关器件分别是Q1、Q2、Q3、Q4,其中Q1的门极、Q2的门极、Q3的门极、Q4的门极均与PWM驱动单元连接，Q1的发射极、Q2的集电极、Q3的发射极、Q4的集电极都与高频变压器T2的初级线圈连接，Q1的集电极及Q3的集电极与与二极管D7的阴极连接，Q2的发射极及Q4的发射极都与与高频变压器T2的初级线圈连接；上述其外围电路包括谐振电感Lr、谐振电容Cr和激磁电感Lm，谐振电感Lr的一端与Q3的发射极及Q4的集电极连接，谐振电感Lr的另一端与谐振电容Cr的阳极连接，谐振电容Cr的阴极与高频变压器T2的初级线圈的一端连接，高频变压器T2的初级线圈的另一端连接Q1的发射极及Q2的集电极，激磁电感Lm的两端分别连接高频变压器T2的初级线圈的两端。

4.如权利要求1所述的集中散热式大功率的直流充电模块，其特征在于，所述高频整流电路包括由二极管D9、D10、D11、D12组成的桥式整流电路；所述防倒灌直流输出电路包括二极管D8、电容C3和电阻R1，二极管D8的阳极与由二极管D9、D10、D11、D12组成的桥式整流电路的输出端连接，二极管D8的阴极与充电机的直流母线的正极U0+连接，电容C3的阳极连接于二极管D8的阳极与由二极管D9、D10、D11、D12组成的桥式整流电路的输出端之间及输出电压采样电路的输入端连接，电容C3的阴极与充电机的直流母线的负极U0-连接及输出电压采样电路的输出端连接，电阻R1串联于电容C3与充电机的直流母线的负极U0-之间，且与输出电流采样电路的输入端连接。

5.如权利要求1所述的集中散热式大功率的直流充电模块，其特征在于，所述直流充电模块中开关器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5采用绝缘栅双极型晶体管IGBT器件或碳化硅SIC功率模块，且开关器件额定电流大于200A。

6.如权利要求1所述的集中散热式大功率的直流充电模块，其特征在于上述直流充电模块开关器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5以及功率二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11、D12均为功率器件，安装在散热器上；散热器是风冷或液冷散热器。

7.如权利要求1所述的集中散热式大功率的直流充电模块，其特征在于上述直流充电模块控制器和PWM隔离驱动电路封装在导热壳体内，直流充电模块控制器及PWM隔离驱动电路与散热器隔离设置。