CN110481363A - 充电机模块及电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种充电机模块及电路，充电机模块自上而下依次集成有用于提供对外控制接口、传感器低压电源供电以及充电机控制器采集控制的充电机控制层，用于提供高频整流输出滤波、EMI电磁兼容的充电机低压层，以及用于提供高压输入滤波、高频软开关DC/DC变换的充电机高压层，各层之间通过隔离板进行隔离。本发明将充电机模块基于功能和电压等级划分为充电机控制层、充电机低压层以及充电机高压层，空间布局合理；同时，采用高压厚铜PCB集成设计，整合了散乱的电气分离元件，多层板设计省去了低感母排，节省了模块的空间尺寸和重量，提高了充电机的集成度、可靠性与可维护性；使用热管型材散热器，提高了散热器的使用效率，减小了模块的尺寸和重量。

Description

充电机模块及电路
技术领域
本发明属于充电机技术领域，尤其涉及一种充电机模块及电路。
背景技术
充电机是轨道交通重要的电气设备，为车载蓄电池和车辆设备提供控制电源，是车辆安全运行的重要保障。现有的充电机模块存在以下问题：①多采用尺寸较大的分离安装的电气元件，众多器件给空间布局安装带来困难，造成器件布置复杂混乱，内部尺寸空间被分离的母排、电容、传感器等孤立占用，造成模块尺寸过大过重，能优化的空间有限；②而且，现有大功率充电机频率高功耗大，发热器件热量集中，多采用强迫风冷的形式，但这种散热方式占用空间大、故障率高，维护周期短，维修操作麻烦，降低了车辆的安全性和可靠性；③现有充电机功能区分混乱层次不清，多散乱分布，高压低压区分困难，走线杂乱无章，带来电磁兼容、安全性、可维护性等诸多问题，设计时无意间会增加模块的尺寸和重量。
目前充电机受分离的IGBT、低感母排、电容、电流电压传感器的布置空间限制，仅靠在优化安装排布上进一步压缩体积尺寸变得越来越困难。大功率充电机IGBT一般集中分布，造成热量集中，使得散热系统的能力得不到充分利用，而强迫风冷方式已经成熟能够优化的空间很小。现有的充电机模块空间布局混乱，无法更进一步压缩空间尺寸，不然会使得操作性、维护性、安全性变得更差。因此，基于上述充电机存在的缺陷，有必要研究设计一种空间布局合理、集成度高、可靠性强且易维护的充电机模块。
发明内容
本发明针对现有充电机存在的不足进行改进，提供了一种充电机电路及模块，其采用高压厚铜PCB集成技术，并基于功能和电压等级划分为充电机控制层、充电机低压层以及充电机高压层，空间布局合理，提高了充电机的集成度、可靠性与可维护性。
为了实现上述目的，本发明提供了一种充电机电路，由输入端至输出端包括依次连接的预充电电路、输入滤波电路、LLC谐振回路以及不控整流输出滤波电路；输入初级高压直流电经过预充电电路与输入滤波电路预充电、滤波，再经过LLC谐振回路变换为交流方波电压，通过不控整流输出滤波电路将交流方波电压整流滤波输出为可调直流电压；
预充电电阻R1、预充电接触器KM2以及主接触器KM1组成预充电电路，预充电电阻R1与预充电接触器KM2串联后，与主接触器KM1并联；
输入滤波电抗器L1、放电电阻R2以及支撑电容FC1组成输入滤波电路，实现输入滤波；输入滤波电抗器L1与主接触器KM1连接后串接入直流输入端“+”极端，放电电阻R2与支撑电容FC1并联至直流输入端“+”“-”极端；
H逆变桥、隔直电容C4、谐振电容C6、C7，以及高频变压器TR1组成LLC谐振回路，H逆变桥并联至输入滤波电路输出侧；H逆变桥超前臂Q0的上、下管分别并联谐振电容C6、C7；隔直电容C4串联高频变压器TR1原边绕组后分别连接至H逆变桥超前臂Q0的中性点与滞后臂Q1的中性点；
所述不控整流输出滤波电路包括全桥整流电路、谐振钳位电路、RLC输出滤波电路、电源输出EMI、以及输出防反电路；整流桥D1、D2组成全桥整流电路，整流桥D1的中性点与整流桥D2的中性点分别连接至高频变压器TR1的副边绕组的两相对端；钳位二极管D3、D3’与谐振电容C5组成谐振钳位电路；高频输出滤波电抗器L2、滤波电容C2、C3，以及放电电阻R3组成RLC输出滤波电路；钳位二极管D3、D3’以及谐振电容C5为T型连接，高频输出滤波电抗器L2、谐振电容C5以及钳位二极管D3为三角形连接，滤波电容C2正极与钳位二极管D3的阴极以及高频输出滤波电抗器L2输出端连接；滤波电容C2、C3以及放电电阻R3并联至电源输出EMI输入端；二极管D4、D5并联组成输出防反电路，连接至电源输出EMI输出端“+”极。
本发明还提供了一种充电机模块，主电路采用所述的充电机电路，其特征在于，充电机模块自上而下依次集成有用于提供对外控制接口、传感器低压电源供电以及充电机控制器采集控制的充电机控制层，用于提供高频整流输出滤波、EMI电磁兼容的充电机低压层，以及用于提供高压输入滤波、高频软开关DC/DC变换的充电机高压层。
优选的，所述充电机高压层包括高压驱动板，所述高压驱动板采用PCB多层板设计，集成有支撑电容FC1、隔直电容C4、谐振电容C6、谐振C7、输入网压传感器、FC电压传感器、输入网流传感器、高频变压器原边电流传感器、以及H逆变桥超前臂驱动单元、滞后臂驱动单元；所述支撑电容FC1采用多层小电容并联设计，支撑电容FC1与H逆变桥超前臂Q0、滞后臂Q1采用多层大面积覆铜连接，其连接部分采用“+”“-”叠层设计；隔直电容C4与高频变压器TR1采用多层大面积覆铜连接。
优选的，隔直电容C4与谐振电容C6、C7远离H逆变桥超前臂驱动单元、滞后臂驱动单元布置；支撑电容FC1置于隔直电容C4、谐振电容C6、谐振电容C7布置的区域与H逆变桥超前臂驱动单元、滞后臂驱动单元布置的区域之间；H逆变桥超前臂驱动单元、滞后臂驱动单元布置的区域采用大面积覆铜，H逆变桥超前臂驱动单元、滞后臂驱动单元的输入端、输出端通过PCB直插端子与高压驱动板连接。
优选的，大面积覆铜区域层层间设有多组组合孔，覆铜层表面采用沉金处理。
优选的，所述充电机高压层还包括自冷散热器，所述自冷散热器的基板上集成有预充电电阻R1、放电电阻R2、输入滤波电抗器L1、H逆变桥超前臂Q0、滞后臂Q1、高频变压器TR1、以及整流桥D1、D2、高频输出滤波电抗器L2、钳位二极管D3、D3’与谐振电容C5、以及防反二极管D4、D5；高频变压器TR1与高频输出滤波电抗器L2置于基板同侧，H逆变桥超前臂Q0、滞后臂Q1远离高频变压器TR1与高频输出滤波电抗器L2的安装区域设置，置于基板的相对另一侧；所述高压驱动板置于H逆变桥超前臂Q0、滞后臂Q1安装区域正上方，与自冷散热器通过立柱连接。
优选的，所述自冷散热器内嵌有热管，所述热管置于H逆变桥超前臂Q0、滞后臂Q1的正下端；所述热管采用重力热管或U型循环热管，所述热管的冷端向上、热端向下，冷端靠近H逆变桥超前臂Q0、滞后臂Q1。
优选的，所述充电机低压层包括输出滤波板、电源输出EMI、以及主接触器KM1与预充电接触器KM2；所述输出滤波板采用PCB双面板设计，集成有滤波电容C2、C3，输出电流传感器、输出电压传感器，以及放电电阻R3；滤波电容C2采用多个小容值薄膜电容管脚焊接并联设计，用于高频交流滤波；滤波电容C3采用多个大容值电解电容管脚焊接并联设计，用于低频滤波；所述滤波电容C2置于输出滤波板上靠近高压驱动板一侧。
优选的，所述充电机控制层包括分区布置的充电机控制器、电源转换板、信号调理板、控制保护开关、对外接口连接器。
优选的，所述充电机控制层、充电机低压层以及充电机高压层之间通过隔离板隔离，所述隔离板安装于箱体框架上，所述隔离板上设置有穿线孔，用于导线穿过使各层之间连接。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明提供了一种充电机模块及电路，主电路包括预充电电路、输入滤波电路、LLC谐振回路、不控整流输出滤波电路。输入高压直流电经过预充电电路、输入滤波电路的预充电与输入滤波后，通过LLC谐振回路转换为交流方波电压，最后整流滤波输出为所需的直流电源电压。
充电机模块基于功能和电压等级划分的空间层式结构，将模块空间切割为相对独立的充电机控制层、充电机低压层以及充电机高压层，空间布局合理，层层之间有金属隔离板隔离提高了系统的抗干扰能力，提高了安全性与维护性；同时，采用高频大功率电气系统高压厚铜PCB集成设计，整合了散乱的电气分离元件，避免了器件在空间的混乱安装，减少了空间走线，多层板设计省去了低感母排，节省了模块的空间尺寸和重量，布局更加清晰简洁；采用自冷式热管型材散热器，有效解决了充电机高频开关器件热量集中的问题，充分改善了自然散热的效果，散热系统简单可靠。
附图说明
图1为本发明的充电机主电路原理图；
图2为本发明充电机模块的整体结构图；
图3为充电机模块的分解爆炸图；
图4为高压层散热器布局结构图；
图5为充电机高压层整体结构图；
图6为高压驱动PCB板结构图；
图7为传统型材散热器自冷散热效果图；
图8为热管型材散热器自冷散热效果图；
图9为充电机低压层整体结构图；
图10为充电机输出滤波PCB板结构图；
图11为充电机控制板结构图；
其中：1-充电机控制层、11-充电机控制器、12-电源转换板、13-信号调理板、14-控制保护开关、15-对外接口连接器；
2-充电机低压层、21-输出滤波板、211-滤波电容C2、212-滤波电容C3、213-放电电阻R3、214-输出电流传感器、215-输出电压传感器，22-电源输出EMI、23-主接触器KM1、24-预充电接触器KM2；
3-充电机高压层、31-高压驱动板、311-支撑电容FC1、312-隔直电容C4、313-谐振电容C6、314-谐振电容C7、315-H逆变桥超前臂驱动单元、316-滞后臂驱动单元、317-输入网压传感器、318-FC电压传感器、319-输入网流传感器、3110-高频变压器原边电流传感器、3111-组合孔；
32-自冷散热器、321-预充电电阻R1、322-放电电阻R2、323-输入滤波电抗器L1、324-H逆变桥超前臂IGBT Q0、325-滞后臂IGBT Q1、326-高频变压器TR1、327-整流桥D1、328-整流桥D2、329-高频输出滤波电抗器L2、3210-钳位二极管(D3、D3’)、3211-与谐振电容C5、3212-防反二极管D4、3213-防反二极管D5；4-隔离板。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本申请部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
参考图1所示，图1提供了一种充电机电路，由输入端至输出端包括依次连接的预充电电路、输入滤波电路、LLC谐振回路以及不控整流输出滤波电路。输入高压直流电经过预充电电路与输入滤波电路预充电、滤波，再经过LLC谐振回路变换为交流方波电压，通过不控整流输出滤波电路将交流方波电压整流滤波输出为直流电源电压。
各部分电路具体设计参考图1所示，其中：预充电电阻R1、预充电接触器KM2以及主接触器KM1组成预充电电路，预充电电阻R1与预充电接触器KM2串联后，与主接触器KM1并联。输入滤波电抗器L1、放电电阻R2以及支撑电容FC1组成输入滤波电路，滤除直流输入电压谐波，稳定输入电压；输入滤波电抗器L1与主接触器KM1连接后串接入直流输入端“+”极端，放电电阻R2与支撑电容FC1并联至直流输入端“+”“-”极端。直流输入电压上电后，先闭合预充电接触器KM2，通过预充电电阻R1对支撑电容FC1进行限流充电，当检测到支撑电容FC1两端的电压与直流输入电压之间的压差小于给定值后，控制主接触器KM1闭合，断开预充电接触器KM2，通过预充电电阻R1的限流充电，减少充电电流对支撑电容FC1的冲击，延长使用寿命。
对于LLC谐振回路，H逆变桥、隔直电容C4、谐振电容C6、C7，以及高频变压器TR1组成LLC谐振回路，H逆变桥开关管采用IGBT，且并联至输入滤波电路输出侧。H逆变桥超前臂IGBT Q0的上、下管分别并联谐振电容C6、C7；隔直电容C4串联高频变压器TR1原边绕组后分别连接至H逆变桥超前臂IGBT Q0的中性点与滞后臂IGBT Q1的中性点。可以通过选择合适的谐振参数，使LLC谐振变换在负载变化或输入电压变化时都能工作在零电压工作区，实现IGBT零电压开通，将输入滤波后的直流电源电压转换为交流方波电压。
对于不控整流输出滤波电路，其包括全桥整流电路、谐振钳位电路、RLC输出滤波电路、电源输出EMI、以及输出防反电路。其中，整流桥D1、D2组成全桥整流电路，整流桥D1的中性点与整流桥D2的中性点分别连接至高频变压器TR1的副边绕组的两相对端。钳位二极管D3、D3’与谐振电容C5组成谐振钳位电路；高频输出滤波电抗器L2、滤波电容C2、C3，以及放电电阻R3组成RLC滤波电路。其中，滤波电容C2为小容值滤波电容，用于高频交流滤波；滤波电容C3为大容值滤波电容，用于低频滤波与稳压。钳位二极管D3、D3’以及谐振电容C5为T型连接，高频输出滤波电抗器L2、谐振电容C5以及钳位二极管D3为三角形连接，滤波电容C2正极与钳位二极管D3的阴极、以及高频输出滤波电抗器L2输出端连接。滤波电容C2、C3以及放电电阻R3并联至电源输出EMI输入端；二极管D4、D5并联组成输出防反电路，连接至电源输出EMI输出端“+”极。LLC谐振回路输出的交流方波电压经过全桥整流电路与输出滤波电路整流滤波为直流电压，经过电源输出EMI滤波稳压后输出直流电源电压，为列车提供电源。
参考图2、图3所示，根据上述的充电机电路，本发明还相应提供了一种充电机模块，其主电路采用上述的充电机电路拓扑结构，充电机模块采用分层设计，按照功能和电压等级划分为充电机控制层、充电机低压层与充电机高压层三层结构。即：充电机模块自上而下依次集成有充电机控制层1、充电机低压层2以及充电机高压层3，其中，充电机控制层用于提供对外控制接口、传感器低压电源供电以及充电机控制器采集控制，充电机低压层用于提供高频整流输出滤波、EMI电磁兼容，充电机高压层则用于提供高压输入滤波、高频软开关DC/DC变换等。同时，充电机控制层1、充电机低压层2、充电机高压层3之间通过铝合金隔离板4进行隔离，隔离板4安装在箱体框架上，隔离板上设置有穿线孔，导线可以穿过穿线孔在各层之间进行连接。当充电机模块需要维护时，仅需拆卸隔离板固定螺栓以及对外连接线就可拆下相应的层，安装维护方便。
因此，本实施例提供的充电机模块针对传统充电机模块空间功能区分混乱层次不清所带来电磁兼容、安全性、可维护性等问题，提供了按照功能和电压等级划分的层式结构，将充电机模块划分为低压充电机控制层、充电机低压层以及充电机高压层，空间布局功能层次明确，避免了高压层与低压层、控制层与电源层之间的电磁干扰，提高了系统的可维护性，空间结构更加紧凑合理。
具体的，对于充电机高压层3，充电机高压层用于提供高压输入滤波、DC/AC变换等,具体结构设计参考图3、图4、图5、图6所示，充电机高压层3包括高压驱动板31以及自冷散热器32。其中，参考图4、图5所示，自冷散热器32的基板上集成有预充电电阻R1(321)、放电电阻R2(322)、输入滤波电抗器L1(323)、H逆变桥超前臂IGBT Q0(324)、滞后臂IGBT Q1(325)、高频变压器TR1(326)、以及整流桥D1(327)、整流桥D2(328)、高频输出滤波电抗器L2(329)、以及钳位二极管D3、D3’(3210)与谐振电容C5(3211)、防反二极管D4(3212)、防反二极管D5(3213)。其中，由于高频变压器TR1(326)和高频输出滤波电抗器L2(329)电磁辐射强，为避免高压驱动板(31)和H逆变桥超前臂IGBT Q0(324)、滞后臂IGBT Q1(325)受到电磁干扰，实际设计中，将高频变压器TR1(326)与高频输出滤波电抗器L2(329)置于基板同侧，将H逆变桥超前臂IGBT Q0(324)、滞后臂IGBT Q1(325)远离高频变压器TR1(326)与高频输出滤波电抗器L2(329)的安装区域设置，置于基板的相对另一侧；同时将预充电电阻R1(321)、放电电阻R2(322)、输入滤波电抗器L1(323)、整流桥D1(327)、整流桥D2(328)、钳位二极管D3与D3’(3210)、谐振电容C5(3211)、防反二极管D4(3212)、防反二极管D5(3213)等元器件设置于两安装区域之间。将高压驱动板31置于H逆变桥超前臂IGBT Q0(324)、滞后臂IGBT Q1(325)安装区域正上方，与自冷散热器32通过立柱连接，参考图5所示。
参考图6所示，高压驱动板31采用PCB多层板设计，其集成有支撑电容FC1(311)、隔直电容C4(312)、谐振电容C6(313)、谐振电容C7(314)、以及H逆变桥超前臂驱动单元315、滞后臂驱动单元316。其中，参考图6所示，本实施例中高压驱动板31具体设计为4层，支撑电容FC1(311)与隔直电容(312)采用多层小电容并联设计，支撑电容FC1(311)具体由6只薄膜电容集成，隔直电容(312)具体由4只薄膜电容集成。支撑电容FC1(311)与H逆变桥超前臂IGBTQ0(324)、滞后臂IGBT Q1(325)采用多层大面积覆铜连接以替换传统的低感母排，其连接部分采用“+”“-”叠层设计，Top Layer为U+、Mid Layer1为U-、Mid Layer2为U+、Bottom Layer为U-，在满足绝缘耐压需求的前提下，U+、U-贴合的越紧密杂散电感越小，多组小容量电容并联的方式进一步减少了回路中电容的等效杂散电感。由于隔直电容C4在位于高频变压器TR1原边回路，进出线路电流大频率高，因此，PCB设计时，隔直电容C4(312)与高频变压器TR1(326)的连接处采用4层大面积覆铜设计。同时，由于H逆变桥超前臂驱动单元315、滞后臂驱动单元316的IGBT驱动为弱电控制区，因此PCB设计时，应使H逆变桥超前臂驱动单元315与滞后臂驱动单元316尽量靠近FC直流侧远离H桥的交流输出端，即隔直电容C4(312)、谐振电容C6(313)、谐振电容C7(314)远离H逆变桥超前臂驱动单元315、滞后臂驱动单元316布置，H逆变桥超前臂驱动单元315、滞后臂驱动单元316布置在PCB板一侧，隔直电容C4(312)与谐振电容C6(313)、谐振电容C7(314)布置在PCB板相对另一侧；支撑电容FC1(311)置于隔直电容C4(312)、谐振电容C6(313)、谐振电容C7(314)布置的区域与H逆变桥超前臂驱动单元315、滞后臂驱动单元316布置的区域之间。H逆变桥超前臂驱动单元315、滞后臂驱动单元316布置的区域采用大面积覆铜以做好MC接地，H逆变桥超前臂驱动单元315、滞后臂驱动单元316的输入端、输出端通过PCB直插端子与高压驱动板31连接。同时，进一步参考图6所示，高压驱动板31上还集成了用于测量输入网压的输入网压传感器317、用于测量H桥逆变器输入侧电压的FC电压传感器318、用于测量输入网流的输入网流传感器319以及用于测量高频变压器原边电流的高频变压器原边电流传感器3110等多个电压传感器与电流传感器。
对于高压驱动板31，其高频、大功率过流区域采用大面积、多层厚铜覆铜，为抑制不均流，同网络的层层间设计多组组合孔3111，有利于平衡由于覆铜外形、误差造成的阻抗差异，有利于导出内部导电层大电流产生的热量。且大电流区域覆铜层表面做沉金处理，和镀锡、镀金工艺相比，沉金处理具有导电性能优良、可焊性好、趋肤效应小、不易被氧化等优点，适合轨道交通大功率、高频、工作温度高的场合。同时，高压区域电气间隙、爬电可根据轨道交通标准执行，参照《EN 50124-1:2001》和《EN 50124-2:2001》表A.3中利用额定冲击电压确定不同电气网络间空气中的最小电气间隙，利用表A.5中用额定绝缘电压(1000V以下)确定印刷电路材料及相连元件的最小爬电距离，根据层间不同电气网络耐压的要求设计PCB绝缘材料的厚度。
因此，本实施例提供的高压驱动板PCB设计，针对众多电气元器件分离安装所造成的空间尺寸过大、布局混乱的问题，提供了高频大功率电气系统高压厚铜PCB集成设计技术，集成IGBT驱动单元、支撑电容、隔直电容、谐振电容、电压测量单元、电流测量单元、放电电阻等，用PCB直插焊接电气元件替换尺寸较大的独立安装元件，省去了低感母排，节省了尺寸和重量，器件排布更紧密，将混乱分散的空间器件布局统一为简洁的一体化多功能板。
由于传统的铝型材散热器结构简单、重量轻、热传递速率快，而热管效率高、热量沿热管管路导向分布，因此，本实施例中的自冷散热器32采用热管型材散热器，内嵌有热管，热管置于H逆变桥超前臂IGBT Q0(324)、滞后臂IGBT Q1(325)的正下端，更利于芯片的散热降低芯片的温升。同时，热管采用重力热管或U型循环热管，热管的冷端向上、热端向下，冷端靠近H逆变桥超前臂Q0、滞后臂Q1，利用热管导向作用将热端热量导向未充分利用的冷端，再通过散热翅将热量导出。图7为传统型材散热器自冷散热效果图，图8为本实施例的热管型材散热器自冷散热效果图；由图8可以明显的看出，本实施例的热管型材散热器设计改善了散热器基板温度场分布，充分利用了散热器的有效散热面积，有效降低了IGBT、二极管基板的温升，温度场梯度差变缓使芯片和IGBT内部其它部件之间热应力更小，应力变形也会更小。本实施例的提供的热管型材散热器可以获得更好的散热效果，有效解决IGBT热量过于集中的问题，提高散热器的散热效率，结构尺寸和重量同样有较大改善。
因此，本实施例提供的自冷散热器，针对高频大功率充电机IGBT等电力电子器件发热大热量集中、散热器的能力得不到充分发挥的问题，依据充电机电力器件的特点，提供了结合热管散热器和铝型材翅片散热器优点的自冷式热管型材散热器，该散热器将IGBT热量引导到散热器未被充分利用的、温度较低的区域，使IGBT温升明显的降低，充分利用了散热器的能力，配合软开关的使用能够更好的实现自然冷却散热效果。同时指出了热管的走向和布局位置，可为同类设计提供借鉴，也可为强迫风冷设计提供参考。
对于充电机低压层2，充电机低压层用于提供高频整流输出滤波、EMI电磁兼容，其具体结构参考图3、图9、图10所示。参考图9所示，充电机低压层2包括输出滤波板21、电源输出EMI(22)、以及主接触器KM1(23)与预充电接触器KM2(24)等，接触器附件的隔离板做穿线孔方便充电机高压层与接触器的连线。其中，参考图10所示，输出滤波板21采用PCB双面板设计，集成有滤波电容C2(211)、滤波电容C3(212)、放电电阻R3(213)、以及用于测量网侧输出电流的输出电流传感器214、用于测量网侧输出电压的输出电压传感器215。其中，滤波电容C2(211)为小容值电容，由6只薄膜电容管脚焊接并联集成，用于高频交流滤波；滤波电容C3(212)为大容值电容，由12只电解电容管脚焊接并联集成，用于低频波动成分的滤波起到稳压作用。参考图10所示，将滤波电容C2(211)置于输出滤波板21上靠近高压驱动板31的一侧，使薄膜电容C2(211)靠近整流输出侧减少连线杂散电感以提高高频成分的滤波效果。本实施例的滤波电容C2、C3采用多个小容量管脚焊接式并联的形式，滤波电容板集成度高，电容排列规整紧密，节省了大量空间，且PCB板采用双面板设计，覆铜采用6oz厚铜，绝缘板材采用高TG FR4材料。
对于充电机控制层1，充电机控制层1主要功能是模块对外控制接口、传感器低压电源供电和充电机控制器采集控制功能，参考图3、图11所示，充电机控制层1主要包括分区布置的充电机控制器11、电源转换板12、信号调理板13、控制保护开关14、对外接口连接器15。参考图11所示，控制保护开关14、对外接口连接器15与充电机控制器11设置在两相对端，电源转换板12与信号调理板13设置在控制保护开关14、对外接口连接器15与充电机控制器11之间，充电机控制层1位于充电机模块的最外层，方便与外部的接线通信操作，且与充电机低压层2以及充电机高压层3通过铝合金隔离板4隔离，提高控制层的抗干扰能力。
综上所述，相较于传统充电机模块的设计，本发明基于功能和电压等级划分的空间层式结构，将模块空间切割为功能定义明确的相对独立的充电机控制层、充电机低压层以及充电机高压层，空间布局合理，层次感更强，层层之间有金属隔板隔离提高了系统的抗干扰能力，人员操作安全性更高，便于拆装操作的功能层改善了充电机模块的可维护性。同时，充电机模块采用高频大功率电气系统高压厚铜PCB集成设计技术，其整合了散乱的电气分离元件，避免了器件在空间的混乱安装，减少了空间走线，三明治式的多层板设计省去了笨重的低感母排，节省了模块的空间尺寸和重量，布局更加清晰简洁，同时为空间层式结构设计奠定了基础。本发明还提供了自冷式热管型材散热器，有效解决了充电机高频开关器件热量集中的问题，提高了散热器的有效散热面积，充分改善了自然散热的效果，散热系统简单可靠，同时节省了模块的尺寸和重量。

Claims (10)

1.一种充电机电路，其特征在于，由输入端至输出端包括依次连接的预充电电路、输入滤波电路、LLC谐振回路以及不控整流输出滤波电路；输入初级高压直流电经过预充电电路与输入滤波电路预充电、滤波，再经过LLC谐振回路变换为交流方波电压，通过不控整流输出滤波电路将交流方波电压整流滤波输出为可调直流电压；
预充电电阻R1、预充电接触器KM2以及主接触器KM1组成预充电电路，预充电电阻R1与预充电接触器KM2串联后，与主接触器KM1并联；
输入滤波电抗器L1、放电电阻R2以及支撑电容FC1组成输入滤波电路，实现输入滤波；输入滤波电抗器L1与主接触器KM1连接后串接入直流输入端“+”极端，放电电阻R2与支撑电容FC1并联至直流输入端“+”“-”极端；
H逆变桥、隔直电容C4、谐振电容C6、C7，以及高频变压器TR1组成LLC谐振回路，H逆变桥并联至输入滤波电路输出侧；H逆变桥超前臂Q0的上、下管分别并联谐振电容C6、C7；隔直电容C4串联高频变压器TR1原边绕组后分别连接至H逆变桥超前臂Q0的中性点与滞后臂Q1的中性点；
所述不控整流输出滤波电路包括全桥整流电路、谐振钳位电路、RLC输出滤波电路、电源输出EMI、以及输出防反电路；整流桥D1、D2组成全桥整流电路，整流桥D1的中性点与整流桥D2的中性点分别连接至高频变压器TR1的副边绕组的两相对端；钳位二极管D3、D3’与谐振电容C5组成谐振钳位电路；高频输出滤波电抗器L2、滤波电容C2、C3，以及放电电阻R3组成RLC输出滤波电路；钳位二极管D3、D3’以及谐振电容C5为T型连接，高频输出滤波电抗器L2、谐振电容C5以及钳位二极管D3为三角形连接，滤波电容C2正极与钳位二极管D3的阴极以及高频输出滤波电抗器L2输出端连接；滤波电容C2、C3以及放电电阻R3并联至电源输出EMI输入端；二极管D4、D5并联组成输出防反电路，连接至电源输出EMI输出端“+”极。
2.一种充电机模块，主电路采用权利要求1所述的充电机电路，其特征在于，充电机模块自上而下依次集成有用于提供对外控制接口、传感器低压电源供电以及充电机控制器采集控制的充电机控制层，用于提供高频整流输出滤波、EMI电磁兼容的充电机低压层，以及用于提供高压输入滤波、高频软开关DC/DC变换的充电机高压层。
3.根据权利要求2所述的充电机模块，其特征在于，所述充电机高压层包括高压驱动板，所述高压驱动板采用PCB多层板设计，集成有支撑电容FC1、隔直电容C4、谐振电容C6、谐振C7、输入网压传感器、FC电压传感器、输入网流传感器、高频变压器原边电流传感器、以及H逆变桥超前臂驱动单元、滞后臂驱动单元；所述支撑电容FC1采用多层小电容并联设计，支撑电容FC1与H逆变桥超前臂Q0、滞后臂Q1采用多层大面积覆铜连接，其连接部分采用“+”“-”叠层设计；隔直电容C4与高频变压器TR1采用多层大面积覆铜连接。
4.根据权利要求3所述的充电机模块，其特征在于，隔直电容C4与谐振电容C6、C7远离H逆变桥超前臂驱动单元、滞后臂驱动单元布置；支撑电容FC1置于隔直电容C4、谐振电容C6、谐振电容C7布置的区域与H逆变桥超前臂驱动单元、滞后臂驱动单元布置的区域之间；H逆变桥超前臂驱动单元、滞后臂驱动单元布置的区域采用大面积覆铜，H逆变桥超前臂驱动单元、滞后臂驱动单元的输入端、输出端通过PCB直插端子与高压驱动板连接。
5.根据权利要求4所述的充电机模块，其特征在于，大面积覆铜区域层层间设有多组组合孔，覆铜层表面采用沉金处理。
6.根据权利要求3-5任一项所述的充电机模块，所述充电机高压层还包括自冷散热器，所述自冷散热器的基板上集成有预充电电阻R1、放电电阻R2、输入滤波电抗器L1、H逆变桥超前臂Q0、滞后臂Q1、高频变压器TR1、以及整流桥D1、D2、高频输出滤波电抗器L2、钳位二极管D3、D3’与谐振电容C5、以及防反二极管D4、D5；高频变压器TR1与高频输出滤波电抗器L2置于基板同侧，H逆变桥超前臂Q0、滞后臂Q1远离高频变压器TR1与高频输出滤波电抗器L2的安装区域设置，置于基板的相对另一侧；所述高压驱动板置于H逆变桥超前臂Q0、滞后臂Q1安装区域正上方，与自冷散热器通过立柱连接。
7.根据权利要求6所述的充电机模块，其特征在于，所述自冷散热器内嵌有热管，所述热管置于H逆变桥超前臂Q0、滞后臂Q1的正下端；所述热管采用重力热管或U型循环热管，所述热管的冷端向上、热端向下，冷端靠近H逆变桥超前臂Q0、滞后臂Q1。
8.根据权利要求2-5任一项所述的充电机模块，其特征在于，所述充电机低压层包括输出滤波板、电源输出EMI、以及主接触器KM1与预充电接触器KM2；所述输出滤波板采用PCB双面板设计，集成有滤波电容C2、C3，输出电流传感器、输出电压传感器，以及放电电阻R3；滤波电容C2采用多个小容值薄膜电容管脚焊接并联设计，用于高频交流滤波；滤波电容C3采用多个大容值电解电容管脚焊接并联设计，用于低频滤波；所述滤波电容C2置于输出滤波板上靠近高压驱动板一侧。
9.根据权利要求2-5任一项所述的充电机模块，其特征在于，所述充电机控制层包括分区布置的充电机控制器、电源转换板、信号调理板、控制保护开关、对外接口连接器。
10.根据权利要求2-5任一项所述的充电机模块，其特征在于，所述充电机控制层、充电机低压层以及充电机高压层之间通过隔离板隔离，所述隔离板安装于箱体框架上，所述隔离板上设置有穿线孔，用于导线穿过使各层之间连接。
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