CN110635692A - 一种直流变换器、充电模块以及充电桩 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直流变换器、充电模块以及充电桩，直流变换器包括：可控逆变桥、多绕组变压器和N个整流单元，N为大于1的正整数，整流单元，包括：电感和可控整流桥；可控逆变桥的交流侧与多绕组变压器的原边绕组连接，可控整流桥的交流侧分别通过对应的电感与多绕组变压器的一个对应的副边绕组连接；其中，可控逆变桥的直流侧作为直流变换器的输入端，各个可控整流桥的直流侧分别作为直流变换器的各个输出端，因此，直流变换器有一个输入端，N个输出端，进而实现一路直流输入，N路隔离直流输出，避免了现有技术中需要设置多个隔离直流充电模块而带来的功率密度低及成本高的问题。

Description

一种直流变换器、充电模块以及充电桩

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，更具体的说，尤其涉及一种直流变换器、充电模块以及充电桩。

背景技术

随着电动汽车的普及，对直流充电桩的需求越来越大；目前的直流充电桩一般采用模块化的直流充电模块，在电动汽车需求的充电电流较大时，采用多个直流充电模块并联，并向电动汽车充电；而电池充电过程中，由于对充电电流的要求越来越小，常规的做法是将部分并联的直流充电模块切除，并将其连接到其他充电电流需求大的电动汽车上。

因此，目前的充电桩需要设置多个隔离型直流充电模块，来满足电动汽车的充电电流需求，进而造成功率密度低和成本上较大的浪费。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种直流变换器、充电模块以及充电桩，以解决造成功率密度低和成本浪费的问题。

本发明第一方面公开了一种直流变换器，包括：可控逆变桥、多绕组变压器和N个整流单元；N为大于1的正整数；

所述整流单元，包括：电感和可控整流桥；

所述可控逆变桥的直流侧作为所述直流变换器的输入端；

所述可控逆变桥的交流侧与所述多绕组变压器的原边绕组连接；

各个所述可控整流桥的交流侧分别通过对应的所述电感与所述多绕组变压器的一个对应副边绕组连接；

各个所述可控整流桥的直流侧分别作为所述直流变换器的各个输出端。

可选的，所述多绕组变压器，包括：铁芯、一个原边绕组和N个副边绕组。

可选的，所述可控逆变桥、所述可控整流桥、所述电感、所述多绕组变压器的原边绕组和所述多绕组变压器的副边绕组的相数相等。

可选的，所述可控逆变桥、所述可控整流桥、所述电感、所述多绕组变压器的原边绕组和所述多绕组变压器的副边绕组的相数均为单相。

可选的，所述可控逆变桥、所述可控整流桥、所述电感、所述多绕组变压器的原边绕组和所述多绕组变压器的副边绕组的相数均为三相。

可选的，所述电感为集成三相电感，或者分离三相电感。

可选的，所述可控逆变桥和所述可控整流桥均为两电平H桥拓扑。

可选的，所述可控逆变桥和所述可控整流桥均为三电平H桥拓扑。

本发明第二方面公开了一种充电模块，包括：AC/DC模块和至少一个第一方面任意一项所述的直流变换器；

所述AC/DC模块的交流侧与电网相连；

所述AC/DC模块的直流侧与所述直流变换器的输入端相连；

所述直流变换器的各个输出端分别作为所述充电模块的各个输出端。

本发明第二方面公开了一种充电桩，包括：控制器、至少一个充电枪和至少一个如第二方面所述的充电模块；

所述控制器分别与所述充电枪的控制端及所述充电模块的控制端相连；

所述控制器，用于控制所述充电模块的各个输出端通过串并联连接，经由对应的充电枪向负载充电。

从上述技术方案可知，本发明提供的一种直流变换器，包括：可控逆变桥、多绕组变压器和N个整流单元，N为大于1的正整数，整流单元，包括：电感和可控整流桥；可控逆变桥的交流侧与多绕组变压器的原边绕组连接，可控整流桥的交流侧分别通过对应的电感与多绕组变压器的一个对应的副边绕组连接；其中，可控逆变桥的直流侧作为直流变换器的输入端，各个可控整流桥的直流侧分别作为直流变换器的各个输出端，因此，直流变换器有一个输入端，N个输出端，进而实现一路直流输入，N路隔离直流输出，避免了现有技术中需要设置多个隔离型直流充电模块而带来的功率密度低及成本高的问题。

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获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种直流变换器的示意图；

图2是本发明实施例提供的一种直流变换器中可控逆变桥和可控整流桥的示意图；

图3是本发明实施例提供的一种直流变换器中可控逆变桥和可控整流桥均为两相的示意图；

图4是本发明实施例提供的一种直流变换器中可控逆变桥和可控整流桥均为三相的示意图；

图5是本发明实施例提供的一种直流变换器中可控逆变桥和可控整流桥的示意图；

图6是本发明实施例提供的一种直流变换器中可控逆变桥和可控整流桥的示意图；

图7是本发明实施例提供的一种充电模块的示意图；

图8是本发明实施例提供的一种充电桩的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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做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。

在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明实施例提供一种直流变换器，以解决造成功率密度低和成本高的问题，参见图1，该直流变换器，包括：可控逆变桥110、多绕组变压器120和N个整流单元130。

其中，N为大于1的正整数。

整流单元130，包括：电感L和可控整流桥131。

可控逆变桥110的直流侧作为直流变换器的输入端，可控逆变桥110的交流侧与多绕组变压器120的原边绕组连接。

具体的，可控逆变桥110的交流侧的一端与多绕组变压器120的原边绕组的一端连接，可控逆变桥110的交流侧的另一端与多绕组变压器120的原边绕组的另一端连接。

各个可控整流桥131的交流侧分别通过对应的电感L与多绕组变压器120的一个对应副边绕组连接；各个可控整流桥131的直流侧分别作为直流变换器的各个输出端。

具体的，各个可控整流桥131的交流侧的一端通过对应的电感L与多绕组变压器120的一个对应副边绕组的一端连接，各个可控整流桥131的交流侧的另一端与多绕组变压器120的一个对应副边绕组的另一端连接。

在实际应用中，多绕组变压器120，包括：铁芯、一个原边绕组和N个副边绕组。

需要说明的是，N个副边绕组与N个整流单元130中的N是一致的，即多绕组变压器120的副边绕组的数量与整流单元130的数量相同。

多绕组变压器120是直流变换器的重要组成部分，直流变换器通过多绕组变压器120升压或降压实现电路电压变换。其中，多绕组变压器120升压或降压的倍数与其原边绕组的线圈匝数和其副边绕组的线圈匝数的比值相关，多绕组变压器120升压或降压的倍数依据实际情况而定即可，均在本申请保护范围内；其中，多绕组变压器120的副边绕组的数量与直流变换器所需的输出端的个数有关，直流变换器所需的输出端的个数越多，多绕组变压器120的副边绕组的数量越多，多绕组变压器120的副边绕组的数量依据实际情况而定即可，均在申请的保护范围内。

由于直流变换器采用多绕组变压器120，直流变换器的N个整流单元130共用一个多绕组变压器120，并且，直流变换器的N个整流单元130也共用一个可控逆变桥110，相比于传统直流变换器，直流变换器不但节省了变压器的成本和体积，还减少可控逆变桥110的数量，节省了总的可控逆变桥的成本和体积，从而提高了直流变换器的功率密度，降低了直流变换器的成本。

由于多绕组变压器120的各副边绕组间是隔离的，进而实现直流变换器的多个输出端之间相互独立，以及实现直流变换器的控制方法简单化。电感L的选取依据实际多绕组变压器的漏感大小，或者根据直流变换器的功率传递的需求而定即可，在此不作一一赘述，均在本申请保护范围内。

在实际应用中，可控逆变桥110、可控整流桥131、电感L和多绕组变压器120的副边绕组的相数相等。

具体的，可控逆变桥110、可控整流桥131、电感L、多绕组变压器120的原边绕组和多绕组变压器120的副边绕组的相数可以均为单相，也可以均为三相，在电感L为三相时，电感L可以是集成三相电感，也可以是分离三相电感；当然，可控逆变桥110、可控整流桥131、电感L、多绕组变压器120的原边绕组和多绕组变压器120的副边绕组的相数也可以是其他相数，可控逆变桥110、可控整流桥131、电感L、多绕组变压器120的原边绕组和多绕组变压器120的副边绕组的相数据实际情况而定即可，在此不作一一赘述，均在本申请的保护范围内。当多绕组变压器120的原边绕组和副边绕组的相数为三相时，其绕组连接形式可以为星形连接，也可以为三角形连接。

在本实施例中，可控逆变桥110的直流侧作为直流变换器的输入端，各个可控整流桥131的直流侧分别作为直流变换器的各个输出端，因此，直流变换器有一个输入端，N个输出端，进而实现一路直流输入，N路隔离直流输出，避免了现有技术中需要设置多个隔离直流充电模块而带来的功率密度低及成本高的问题。

可选的，在本发明实施例图1中涉及的可控逆变桥110和可控整流桥131可以均是如图2所示的两电平拓扑，具体的，可控逆变桥110和可控整流桥131均包括：电容C和M相桥臂20。

M为大于1的正整数。

每相桥臂20均包括：上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂关于中点对称；且M相桥臂20的中点共同构成可控整流桥131或可控逆变桥110的交流侧，其中，若该M相桥臂20均为可控逆变桥110中的桥臂20，则该M相桥臂20的中点共同构成可控逆变桥110的交流侧，若该M相桥臂20均为可控整流桥131中的桥臂20，则该M相桥臂20的中点共同构成可控整流桥131的交流侧。上桥臂和下桥臂均包括开关管单元。

M相桥臂20的两端与电容C并联，并联的两个连接点共同构成可控整流桥131或可控逆变桥110的直流侧，其中，若该M相桥臂20均为可控逆变桥110中的桥臂20，则该并联的两个连接点共同构成可控逆变桥110的直流侧，若该M相桥臂20均为可控整流桥131中的桥臂20，则该并联的两个连接点共同构成可控整流桥131的直流侧。

具体的，在可控逆变桥110、可控整流桥131、电感L和多绕组变压器120的副边绕组的相数均为两相时，直流变换器的结构如图3所示。

可控逆变桥110中两相桥臂20的上桥臂与下桥臂关于中点对称，即可控逆变桥110的上桥臂与下桥臂中各自的开关管单元关于中点对称，且可控逆变桥110中两相桥臂20的中点共同构成可控逆变桥110的交流侧，可控逆变桥110的交流侧与多绕组变压器120的原边绕组相连；可控逆变桥110中两相桥臂20的两端与电容C并联，并联的两个连接点共同构成可控整流桥131的直流侧。

可控整流桥131中两相桥臂20的上桥臂与下桥臂关于中点对称，即可整流变桥131的上桥臂与下桥臂中各自的开关管单元关于中点对称，且可控整流桥131中两相桥臂20的中点共同构成可控整流桥131的交流侧，可控整流桥131的交流侧通过电感L与多绕组变压器120的一个对应的副边绕组相连；即可控整流桥131的两相桥臂的中点通过对应的电感L的一相与多绕组变压器120的一个对应的副边绕组的一相连接，可控整流桥131中两相桥臂20的两端与电容并联，并联的两个连接点共同构成可控整流桥131的直流侧。

在可控逆变桥110、可控整流桥131、电感L和多绕组变压器120的副边绕组的相数均为三相时，直流变换器的结构如图4所示。

具体的连接结构与可控逆变桥110、可控整流桥131、电感L和多绕组变压器120的副边绕组的相数均为两相时的连接结构相似，在此不再一一赘述，不同的是，可控逆变桥110、可控整流桥131、电感L和多绕组变压器120的副边绕组的相数不同，即在可控逆变桥110和可控整流桥131中桥臂20的相数为三相。

当然，上述可控逆变桥110和可控整流桥131也可以均是如图5所示的三电平拓扑，具体的，可控逆变桥110和可控整流桥131均包括：电容单元和M相桥臂20。

每相桥臂20均包括：第一二极管D1、第二二极管D2、第一开关管单元K1、第二开关管单元K2、第三开关管单元K3和第四开关管单元K4。

电容单元包括：第一电容C1和第二电容C2；第一电容C1和第二电容C2串联，第一电容C1和第二电容C2的连接点作为电容单元的中点，第一电容C1和第二电容C2可以是相同的电容。

M相桥臂20的两端与电容单元并联，并联的两个连接点及电容单元的中点共同构成可控整流桥131或可控逆变桥110的直流侧。

具体的，若该M相桥臂20均为可控逆变桥110的桥臂20，则并联的两个连接点及电容单元的中点共同构成可控逆变桥110的直流侧，若该M相桥臂20均为可控整流桥131的桥臂20，则并联的两个连接点及电容单元的中点共同构成可控整流变桥131的直流侧。

M相桥臂20的第一开关管单元K1、第二开关管单元K2、第三开关管单元K3和第四开关管单元K4依次相连，即第一开关管单元K1的一端与第二开关管单元K2的一端相连，第二开关管单元K2的另一端与第三开关管单元K3的一端相连，第三开关管单元K3的另一端与第四开关管单元K4的一端相连；第一开关管单元K1的另一端作为该桥臂20的一端，第四开关管单元K4的另一端作为该桥臂20的另一端。

每相桥臂20的第二开关管单元K2和第三开关管单元K3之间的连接点作为该桥臂20中点，M相桥臂20的中点共同构成可控整流桥131或可控逆变桥110的交流侧。具体的若该M相桥臂20均为可控逆变桥110的桥臂20，则M相桥臂20的中点共同构成可控逆变桥110的交流侧，若该M相桥臂20均为可控整流桥131的桥臂20，则M相桥臂20的中点共同构成可控整流桥131的交流侧。

每相桥臂20的第一二极管D1和第二二极管D2串联，且与串联的第二开关管单元K2和第三开关管单元K3并联，第一二极管D1和第二二极管D2之间的连接点与电容单元的中点相连。

具体的，第一二极管D1的阴极与第一开关管单元K1和第二开关管单元K2之间的连接点相连，第一二极管D1的阳极分别与第二二极管D2的阴极和电容单元的中点相连，第二二极管D2的阳极与第三开关管单元K3和第四开关管单元K4之间的连接点相连。

需要说明的是，图5中只画出了两相桥臂，但M相并不仅代表两相，M的取值可以是大于1的任意一个正整数；在可控逆变桥110和可控整流桥131均为两相时，可以参见图5所示的电路图。参见图6，其示出了可控逆变桥110和可控整流桥131均为三相时的电路图，可控逆变桥110和可控整流桥131为三相时的具体的结构与图5相似，在此不再一一赘述。

在实际应用中，图2至图6中的开关管单元可以是逆导型晶体管，如：集成反并二极管的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)和MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,金氧半场效晶体管)中的任意一种。上述开关管单元具体选用何种逆导型晶体管视可以实际情况而定，在此不作限定，均在本申请的保护范围内。

本发明实施例公开了一种充电模块，参见图7，包括：AC/DC模块710和至少一个直流变换器720。

AC/DC模块710的直流侧与直流变换器720的输入端相连；AC/DC模块710可以是单相PFC(Power Factor Correction，功率因数校正)电路，也可以是三相PFC电路。

直流变换器720的各个输出端分别作为充电模块的各个输出端。

因此，充电模块具有多个出输端，充电模块的各个输出端的可输出电能与直流变换器720相关。直流变换器720的结构及其原理描述可参见上述实施例，此处不再一一赘述。

在本实施例中，充电模块包括至少一个直流变换器720，一个直流变换器720有一个输入端和多个输出端，进而充电模块有多个输出端，使得充电模块一路直流输入，多路直流输出，并且，充电模块只需采用较少的直流变换器720即可满足充电模块的使用需求，从而降低充电模块的体积，提高充电模块的功率密度。

本发明实施例公开了一种充电桩，参见图8，包括：控制器830、至少一个充电枪820和至少一个充电模块810。

控制器830分别与充电枪820的控制端及充电模块810的控制端相连。

控制器830，用于控制充电模块810的各个输出端通过串并联连接，经由对应的充电枪820向负载充电。

具体的，控制器830接收到负载的充电请求之后，控制充电模块810通过充电枪820向负载输出电能，其中，充电模块810输出的电能应当不大于负载充电请求携带的需求电能，以使负载所接收到的电能与不大于其所需电能，进而避免负载发生过流损坏，保证负载的安全性。

在实际应用中，若控制器830接收到的负载的需求电能大于当前通过充电枪820与负载连接的充电模块810中输出端的可输出电能时，其中，充电请求携带需求电能；控制器830控制充电模块810的其他输出端通过充电枪820向负载输出电能，使充电桩向负载输出的电能满足负载需求。

具体的，若控制器830接收到的负载发送的充电请求中携带的需求电能大于充电模块810的一个输出端的可输出电能时，控制器830控制该充电模块810的至少两个输出端并联，并通过充电枪820向该负载充电，使负载以所需电能进行充电；若一个充电模块810中各个输出端并联后的可输出电能仍不能满足负载需求，则控制器830控制至少两个充电模块810的各个输出端并联，使充电桩向负载输出的电能满足负载需求。

若控制器830接收到的负载的需求电能小于当前通过充电枪820与负载连接的充电模块810中输出端的可输出电能时，控制器830控制当前通过充电枪820与负载连接的输出端中至少一个输出端断开连接，使充电桩向负载输出的电能满足负载需求；同时，还可以控制断开连接的输出端通过充电枪820连接到其他充电需求较大的负载上。

另外，若控制器830接收到的负载的需求电压大于当前通过充电枪820与负载连接的充电模块810中输出端的可输出电压时，控制器830控制充电模块810的多个输出端串联来解决输出电压不足问题，具体过程在此不再赘述。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种直流变换器，其特征在于，包括：可控逆变桥、多绕组变压器和N个整流单元；N为大于1的正整数；

所述整流单元，包括：电感和可控整流桥；

所述可控逆变桥的直流侧作为所述直流变换器的输入端；

所述可控逆变桥的交流侧与所述多绕组变压器的原边绕组连接；

各个所述可控整流桥的交流侧分别通过对应的所述电感与所述多绕组变压器的一个对应副边绕组连接；

各个所述可控整流桥的直流侧分别作为所述直流变换器的各个输出端。

2.根据权利要求1所述的直流变换器，其特征在于，所述多绕组变压器，包括：铁芯、一个原边绕组和N个副边绕组。

3.根据权利要求2所述的直流变换器，其特征在于，所述可控逆变桥、所述可控整流桥、所述电感、所述多绕组变压器的原边绕组和所述多绕组变压器的副边绕组的相数相等。

4.根据权利要求3所述的直流变换器，其特征在于，所述可控逆变桥、所述可控整流桥、所述电感、所述多绕组变压器的原边绕组和所述多绕组变压器的副边绕组的相数均为单相。

5.根据权利要求3所述的直流变换器，其特征在于，所述可控逆变桥、所述可控整流桥、所述电感、所述多绕组变压器的原边绕组和所述多绕组变压器的副边绕组的相数均为三相。

6.根据权利要求5所述的直流变换器，其特征在于，所述电感是三相集成电感或者三相分离电感。

7.根据权利要求1-6任一所述的直流变换器，其特征在于，所述可控逆变桥和所述可控整流桥均为两电平H桥拓扑。

8.根据权利要求1-6任一所述的直流变换器，其特征在于，所述可控逆变桥和所述可控整流桥均为三电平H桥拓扑。

9.一种充电模块，其特征在于，包括：AC/DC模块和至少一个如权利要求1-8任一所述的直流变换器；

所述AC/DC模块的交流侧与电网相连；

所述AC/DC模块的直流侧与所述直流变换器的输入端相连；

所述直流变换器的各个输出端分别作为所述充电模块的各个输出端。

10.一种充电桩，其特征在于，包括：控制器、至少一个充电枪和至少一个如权利要求9所述的充电模块；

所述控制器分别与所述充电枪的控制端及所述充电模块的控制端相连；

所述控制器，用于控制所述充电模块的各个输出端通过串并联连接，经由对应的充电枪向负载充电。

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