CN217824388U - 充电电路及充电设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种充电电路及充电设备。其中，该充电电路包括：电源模块，功率因数校正模块，第一滤波模块和负载模块，其中，电源模块，包括三相交流输入电源，电源模块的输出端连接于功率因数校正模块的输入端；功率因数校正模块，包括三相无中线Vienna整流器；负载模块，包括直流负载，负载模块的输入端连接于功率因数校正模块的输出端；第一滤波模块，包括第一滤波电路，第一滤波模块的两端分别连接于功率因数校正模块的输入端和输出端。本申请解决了充电电路中功率因数校正部分因共模噪声造成的电磁干扰超标及纹波电流过大的技术问题。

Description

充电电路及充电设备

技术领域

本申请涉及交流-直流转换技术领域，具体而言，涉及一种充电电路及充电设备。

背景技术

当前，三相输入的充电模块中，功率因数校正部分基本都是采用三相无中线Vienna结构的拓扑，但由于BUS中点对地存在高频高压共模噪声，电磁干扰很差，为了解决该问题，相关技术中提出了几种解决方案，其一是再增加一路Vienna拓扑，让两路错相180°使噪声抵消，但该方案使得偶次谐波不能得到很好的抵消；其二是采用单相交错式Vienna拓扑，该方案虽然可以使BUS中点的电压波动减小，但仍无法满足EMI标准，且控制复杂；其三则是将BUS中点与EMI滤波电路后级的X电容中性点短路连接，该方案虽然可以解决BUS中点电压波动导致的EMI问题，但容易引起纹波电流增大、器件过压、差模噪声变大等新问题；另外，几种方案都需要增加较多的元器件，成本较高。

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

实用新型内容

本申请实施例提供了一种充电电路及充电设备，以至少解决充电电路中功率因数校正部分因共模噪声造成的电磁干扰超标及纹波电流过大的技术问题，同时，本申请实施例的充电电路结构简单，成本较低。

根据本申请实施例的一个方面，提供了一种充电电路，包括：电源模块，功率因数校正模块，第一滤波模块和负载模块，其中，电源模块，包括三相交流输入电源，电源模块的输出端连接于功率因数校正模块的输入端；功率因数校正模块，包括三相无中线Vienna整流器；负载模块，包括直流负载，负载模块的输入端连接于功率因数校正模块的输出端；第一滤波模块，包括第一滤波电路，第一滤波模块的两端分别连接于功率因数校正模块的输入端和输出端。

可选地，充电电路中还包括第二滤波模块，第二滤波模块的两端分别连接于电源模块的输出端和功率因数校正模块的输入端，其中，第二滤波模块包括第二滤波电路，第二滤波电路至少包括两级共模电感。

可选地，第一滤波模块的第一端连接于功率因数校正模块的三相输入母线的任意一相输入母线，或第一端连接于第二滤波模块的输出端的X电容的中性点；第一滤波模块的第二端连接于功率因数校正模块的输出母线。

可选地，第一滤波电路为RLC滤波电路，RLC滤波电路中包括：第一电阻，第一电感和第一电容，其中，第一电阻与第一电感并联后，再与第一电容串联。

可选地，第一电容的等效容值的取值范围为3nF～30nF，第一电容的等效耐压值的取值范围为大于1.5kV。

可选地，第一电容为陶瓷电容。

可选地，第一电感的等效感值的取值范围为20uH～200uH。

可选地，第一电阻的等效阻值的取值范围为50Ω～2000Ω。

可选地，功率因数校正模块的输出端与地之间不接有电容，或接有容值小于500pF的第二电容。

可选地，充电电路中还包括隔离型DC-DC变换器，隔离型DC-DC变换器的输入端连接于功率因数校正模块的输出端，隔离型DC-DC变换器的输出端连接于负载模块的输入端，其中，隔离型DC-DC变换器中的变压器的原边和副边之间具有共模电容，共模电容的容值的取值范围为小于500pF。

可选地，充电电路中还包括第三滤波模块，第三滤波模块的两端分别连接于功率因数校正模块的输出端和负载模块的输入端，其中，第三滤波模块包括第三滤波电路，第三滤波电路至少包括一级共模电感。

根据本申请实施例的另一方面，还提供了一种充电设备，包括：上述的充电电路。

在本申请实施例的充电电路中，功率因数校正模块对电源模块输入的三相交流电进行整流处理后，将得到的直流电输出至直流负载，其中，通过在功率因数校正模块的输入端和输出端之间连接第一滤波模块，使得电磁干扰噪声可以在功率因数校正模块内部得到回流，电磁干扰频段外的噪声仍按原路径流动，从而在改善电磁干扰问题的同时不引起纹波电流增大，即有效解决了充电电路中功率因数校正部分因共模噪声造成的电磁干扰超标及纹波电流过大的技术问题；另外，相较于相关技术中的方案，本申请实施例的充电电路只新增了第三滤波模块，结构简单，成本较低。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是相关技术中的一种两路交错并联Vienna拓扑的结构示意图；

图2是相关技术中的一种单相交错式Vienna拓扑的结构示意图；

图3是根据本申请实施例的一种充电电路的结构示意图；

图4是根据本申请实施例的一种充电电路的示意图；

图5是根据本申请实施例的一种充电电路等效原理的示意图；

图6是根据本申请实施例的一种三相无中线Vienna整流器主拓扑结构的示意图；

图7是根据本申请实施例的一种充电电路EMI限值线的示意图；

图8是根据本申请实施例的一种AC输入端口噪声对比示意图；

图9是根据本申请实施例的一种DC输出端口噪声对比示意图。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，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。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了更好地理解本申请实施例，对本申请实施例进行描述的过程中出现的部分名词或术语翻译解释如下：

PFC(Power Factor Correction功率因数校正)：功率因数指有效功率与总耗电量之间的关系，其通常用来表征电子产品对电能的利用效率，功率因数值越大，代表电能利用率越高；功率因数校正就是通过调整输入电流和电压之间的相位差来提高功率因数。

EMC(Eletromagnetic Compatibility，电磁兼容)：包括EMI(Electro MagneticInterference，电磁干扰)和EMS(Electro Magnetic Susceptibility，电磁敏感度)两部分，其中，EMI电磁干扰包括传导、辐射、电流谐波、电压闪烁等，EMI由干扰源、耦合通道和接收器三部分组成，且EMI线性正比于电流，电流回路面积以及频率的平方，为了使民用的电子设备可以按照预期正常使用，通常需要使EMI达到Class B标准。

在三相无中线Vienna结构的拓扑中，由于BUS中点对地存在高频高压共模噪声，导致EMI很差，需要付出较大代价才能通过EMC的标准，通常在AC输入端口需要使用三级共模电感滤波才能通过Class B标准限值，DC输出端口需要使用两级甚至三级滤波才能通过Class B标准限值。

针对上述EMI问题，目前提出了以下几种解决方案：一种方案是在现有三相无中线Vienna结构的拓扑中再增加一路Vienna拓扑，让两路错相180°使噪声抵消，如图1所示，但该方案的电路结构复杂，且输出的偶次谐波不能很好地抵消；另一种方案是采用单相交错式Vienna拓扑，在每相增加一个自耦变压器，通过开关切换自耦变压器输出与BUS的连接关系，如图2所示，可以看出整个电路的控制逻辑相当复杂，且该方案虽然可以使BUS中点的电压波动减小，但仍无法满足EMI标准；还有一种方案是将拓扑电路中的BUS中点与EMI滤波电路后级的X电容中性点短路连接，该方案虽然可以解决BUS中点电压波动导致的EMI问题，但容易引起纹波电流增大、器件过压、差模噪声变大等新问题。

为解决上述问题，本申请实施例提供了一种充电电路，如图3所示，该电路至少包括：电源模块31，功率因数校正模块32，第一滤波模块33和负载模块34，其中：

电源模块31，包括三相交流输入电源，电源模块31的输出端连接于功率因数校正模块32的输入端；功率因数校正模块32，包括三相无中线Vienna整流器；负载模块34，包括直流负载，负载模块34的输入端连接于功率因数校正模块32的输出端；第一滤波模块33，包括第一滤波电路，第一滤波模块33的两端分别连接于功率因数校正模块32的输入端和输出端。

可选地，充电电路还包括：隔离型DC-DC变换器，其输入端连接于功率因数校正模块的输出端，其输出端连接于负载模块的输入端，该隔离型DC-DC变换器中的变压器的原边和副边之间具有共模电容。

可选地，充电电路中还包括第二滤波模块，第二滤波模块的两端分别连接于电源模块的输出端和功率因数校正模块的输入端，其中，第二滤波模块包括第二滤波电路，第二滤波电路至少包括两级共模电感。

可选地，充电电路中还包括第三滤波模块，第三滤波模块的两端分别连接于功率因数校正模块的输出端和负载模块的输入端，其中，第三滤波模块包括第三滤波电路，第三滤波电路至少包括一级共模电感。

在整个充电电路中，电源模块提供的三相交流电经第二滤波模块输入至功率因数校正模块进行整流处理，得到的直流电经第三滤波模块进行滤波处理后，再输出至负载模块，其中，在功率因数校正模块的输入端和输出端之间连接第一滤波模块，使得电磁干扰噪声在功率因数校正模块内部得到回流，电磁干扰频段外的噪声仍按原路径流动，从而在改善电磁干扰问题的同时不引起纹波电流增大。此外，通过第一滤波模块、第二滤波模块及第三滤波模块的配合，能进一步减少功率因数校正模块所产生的噪声，有效解决充电电路中功率因数校正部分因共模噪声造成的电磁干扰超标及纹波电流过大的技术问题。

图4为本申请实施例提供的一种可选的充电电路图，图5是对应于图4的充电电路的等效原理图，以下结合图4、图5对上述充电电路的每个模块的组成以及功能具体说明。

电源模块即为图4中的AC端口，其向整个充电电路中输入Ua、Ub、Uc三相交流电，在实际应用中，电源模块可以是从电网中引出的三相电源。

为减小AC输入端噪声，电源模块和功率因数校正模块之间通常接有第二滤波模块，该第二滤波模块包括第二滤波电路，第二滤波电路至少包括两级共模电感。如图5所示，第二滤波电路可以为两级LC滤波电路，第一级LC滤波电路包含电感L4和电容C4，第二级LC滤波电路包含电感L3和电容C3，其中，电感L3、L4感值相同，电容C4容值小于电容C3容值，在本申请实施例中，可以取L3、L4为400uH，C3为220nF、C4为14.1nF。

功率因数校正模块中包括三相无中线Vienna整流器，其主要由可控功率开关器件和功率二极管组成，图6示出了一种三相无中线Vienna整流器的主拓扑结构图，其中，三相二极管整流桥使用超快恢复二极管或SiC二极管；在主拓扑结构中每相两个双向开关，每个双向开关由两个MOS管组成，利用MOS管固有的反并联二极管，共同驱动信号，降低了控制和驱动难度，相比于其他结构，该结构具有效率高、器件数量少的优点；整流器的工作方式是通过控制全控型器件的导通关断，控制PFC电感的充放电，由于PFC的PF值接近1，在分析其工作原理的时候可以认为电感电流和输入电压同相，三相平衡，并且各相差120度。

三相无中线Vienna整流器的主拓扑结构的等效电路可以被认为是三个单项倍压BOOST整流器的组合，利用三个高频电感的CCM模式，减少开关电流压力和EMI噪声，并通过两个电解电容构成电容中点，为整个主电路提供了三电平运行的基本条件。其中，三相Vienna PFC相当于三个单相的PFC，每个单相相当于4个BOOST电路组成，当每相的开关SA、SB、SC导通时，电感La、Lb、Lc通过SA、SB、SC充电；当每相的开关SA、SB、SC关断时，电感La、Lb、Lc放电。

从图6可以看出，每相的2个二极管跨接在正负母线之间，其两端可以承受的最大平台电压为输出PFC输出电压，在实际应用时，不仅需要考虑二极管的耐压、通流能力，还需要考虑一个更重要的参数就是抗浪涌冲击能力，由于SiC二极管的抗浪涌冲击能力比较弱，因此一般选择超快恢复的二极管，比如Microsemi的ATP30DQ1200B系列。

三相Vienna PFC主拓扑结构的母线电压是通过两个电容C1、C2串联进行分压，电容中点0的电位由电容的充放电决定，C1、C2的电压应该保持均衡以保持真实的三电平运行条件，否则输出电压可能包含不期望的谐波，甚至会影响到电路的安全性，其具体是通过输入电流、功率开关管和二极管应力以及动态时母线电压过压这三点影响电路性能。

通常，功率因数校正模块的输出端与地之间接有第二电容C6，由于该电容对EMI和纹波电流的改善都没有好处，因此第二电容的容值的取值范围小于500pF，实际电路中此处也可以不接有电容。

在功率因数校正模块和负载模块之间通常还接有隔离型DC-DC变换器，为了解决DC-DC的噪声，该隔离型DC-DC变换器中的变压器的原边和副边之间通常具有共模电容C5，该共模电容对降低PFC共模噪声并没有用，因此对于PFC噪声电路来说，C5越小越好，在本申请实施例中，共模电容的容值的取值范围小于500pF，推荐100pF或220pF。

为减小DC输出端噪声，功率因数校正模块和负载模块之间通常还接有第三滤波模块，该第三滤波模块包括第三滤波电路，第三滤波电路至少包括一级共模电感。如图5所示，第三滤波电路可以为一级LC滤波电路，包含电感L1和电容C2，在本申请实施例中，电感L1取值和电感L4、L3取值相同，均为400uH，C2取值不超过100nF。

为了使输出电压更符合预期标准，在功率因数校正模块两端接有包括第一滤波电路的第一滤波模块，第一滤波模块的第一端可以连接于功率因数校正模块的三相输入母线的任意一相输入母线，也可以连接于第二滤波模块的输出端的X电容的中性点；第一滤波模块的第二端可以连接于功率因数校正模块的输出母线，如正母线、负母线或正负母线中点。

具体地，第一滤波电路为RLC滤波电路，如图4所示，RLC滤波电路的一端接于功率因数校正模块输出端的BUS中点，另一端接在第二滤波模块(EMI)的输出端的X电容的中性点。如图5所示，RLC滤波电路中包括：第一电阻R3，第一电感L6和第一电容C7，其中，第一电阻R3与第一电感L6并联后，再与第一电容C7串联。在实际电路中，第一电容C7可以为多个电容串并联得到，第一电阻R3可以为多个电阻串并联得到，第一电感L6可以为多个电感串并联得到。

在本申请实施例中，第一电容C7可以选用陶瓷电容，其等效容值应远小于100nF，具体取值范围可以为3nF～30nF，其等效耐压值的取值范围为大于1.5kV；第一电感L6的等效感值的取值范围为20uH～200uH；第一电阻R3的等效阻值的取值范围为50Ω～2000Ω。

需要说明的是，上述电路中各个元器件的取值仅作为示例性说明，对实际取值不构成限定。

本申请实施例的充电电路整体结构较为简单，其中使用的元器件基本都是无源器件，可靠性高，成本较低，且面积较小，电容、电阻都可以用贴片器件，主要增加的体积来自电感，但电感绕线的线径只需要满足较小的通流即可，远小于输入、输出各增加一级常规滤波的面积，也小于前述两路交错并联及单相交错式两种方案所需要增加的面积。

为了验证上述电路结构对抑制噪声的有效性，如图5所示，本实施例还分别在充电电路AC端和DC端设置了两个采集模块，对输入和输出两个端口进行噪声采集，采集模块的具体设置方式如下：在输入模块和第一滤波模块之间连接有第一采集模块，第一采集模块包括第一噪声采集电路，目的是用来采集输入充电电路的噪声；在输出模块与第三滤波模块之间连接有第二采集模块，其中，第二采集模块包括第二噪声采集电路，具体用于采集充电电路输出的噪声。

具体地，在AC端设有LISN(Line Impedance Stabilization Network，线路阻抗稳定网络)对输入进行噪声采样，其可以在射频范围内为被测试设备端子和参考地之间提供稳定的阻抗，同时也可以将来自电网的无用信号与被测电路隔开，仅将被测试设备的干扰电压耦合到测量电路的输入点。图7是本申请实施例的充电电路中设置的AC输入端口以及DC输出端口的标准限值，图8则是在添加第一滤波模块前后AC输入端口的噪声对比图，从图中可以直观看出，在引入第一滤波模块后，AC输入端口的噪声显著低于未引入第一滤波模块时AC输入端口的噪声，且噪声均在EMI限值之下。

在DC端口设有HV-AN对输出进行噪声采样，HV-AN与LISN的目的一样，均为噪声采样。图9是在添加第一滤波模块前后DC输出端口噪声对比图，从图中可以直观看出，在引入第一滤波模块后，DC输出端口的噪声显著低于未引入第一滤波模块时DC输出端口的噪声，且噪声均在EMI限值之下。

在本申请实施例中，电源模块提供的三相交流电经第二滤波模块输入至功率因数校正模块进行整流处理，得到的直流电经第三滤波模块进行滤波处理后，再输出至负载模块，其中，在功率因数校正模块的输入端和输出端之间连接第一滤波模块，使得电磁干扰噪声在功率因数校正模块内部得到回流，电磁干扰频段外的噪声仍按原路径流动，从而在改善电磁干扰问题的同时不引起纹波电流增大。此外，通过第一滤波模块和第二滤波模块及第三滤波模块配合，能进一步有效减少功率因数校正模块所产生的噪声，解决充电电路中功率因数校正部分因共模噪声造成的电磁干扰超标及纹波电流过大的技术问题，且本方案所采用的电路结构简单，成本低。

根据本申请实施例，还提供了一种充电设备，其中，该充电设备包括上述的充电电路。

具体地，该充电设备中的充电电路包括：电源模块，包括三相交流输入电源，电源模块的输出端连接于功率因数校正模块的输入端；功率因数校正模块，包括三相无中线Vienna整流器；负载模块，包括直流负载，负载模块的输入端连接于功率因数校正模块的输出端；第一滤波模块，包括第一滤波电路，第一滤波模块的两端分别连接于功率因数校正模块的输入端和输出端。

可选地，充电电路还包括：隔离型DC-DC变换器，其输入端连接于功率因数校正模块的输出端，其输出端连接于负载模块的输入端，该隔离型DC-DC变换器中的变压器的原边和副边之间具有共模电容。

可选地，充电电路还包括：第二滤波模块，第二滤波模块的两端分别连接于电源模块的输出端和功率因数校正模块的输入端，其中，第二滤波模块包括第二滤波电路，第二滤波电路至少包括两级共模电感。

可选地，充电电路还包括：第三滤波模块，第三滤波模块的两端分别连接于功率因数校正模块的输出端和负载模块的输入端，其中，第三滤波模块包括第三滤波电路，第三滤波电路至少包括一级共模电感。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如模块的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，模块或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个模块上。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。

以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (12)

1.一种充电电路，其特征在于，包括：电源模块，功率因数校正模块，第一滤波模块和负载模块，其中，

所述电源模块，包括三相交流输入电源，所述电源模块的输出端连接于所述功率因数校正模块的输入端；

所述功率因数校正模块，包括三相无中线Vienna整流器；

所述负载模块，包括直流负载，所述负载模块的输入端连接于所述功率因数校正模块的输出端；

所述第一滤波模块，包括第一滤波电路，所述第一滤波模块的两端分别连接于所述功率因数校正模块的输入端和输出端。

2.根据权利要求1所述的充电电路，其特征在于，所述充电电路中还包括第二滤波模块，所述第二滤波模块的两端分别连接于所述电源模块的输出端和所述功率因数校正模块的输入端，其中，所述第二滤波模块包括第二滤波电路，所述第二滤波电路至少包括两级共模电感。

3.根据权利要求2所述的充电电路，其特征在于，所述第一滤波模块的第一端连接于所述功率因数校正模块的三相输入母线的任意一相输入母线，或所述第一端连接于所述第二滤波模块的输出端的X电容的中性点；所述第一滤波模块的第二端连接于所述功率因数校正模块的输出母线。

4.根据权利要求1所述的充电电路，其特征在于，所述第一滤波电路为RLC滤波电路，所述RLC滤波电路中包括：第一电阻，第一电感和第一电容，其中，所述第一电阻与所述第一电感并联后，再与所述第一电容串联。

5.根据权利要求4所述的充电电路，其特征在于，所述第一电容的等效容值的取值范围为3nF～30nF，所述第一电容的等效耐压值的取值范围为大于1.5kV。

6.根据权利要求5所述的充电电路，其特征在于，所述第一电容为陶瓷电容。

7.根据权利要求4所述的充电电路，其特征在于，所述第一电感的等效感值的取值范围为20uH～200uH。

8.根据权利要求4所述的充电电路，其特征在于，所述第一电阻的等效阻值的取值范围为50Ω～2000Ω。

9.根据权利要求1所述的充电电路，其特征在于，所述功率因数校正模块的输出端与地之间不接有电容，或接有容值小于500pF的第二电容。

10.根据权利要求1所述的充电电路，其特征在于，所述充电电路中还包括隔离型DC-DC变换器，所述隔离型DC-DC变换器的输入端连接于所述功率因数校正模块的输出端，所述隔离型DC-DC变换器的输出端连接于所述负载模块的输入端，其中，所述隔离型DC-DC变换器中的变压器的原边和副边之间具有共模电容，所述共模电容的容值的取值范围为小于500pF。

11.根据权利要求1所述的充电电路，其特征在于，所述充电电路中还包括第三滤波模块，所述第三滤波模块的两端分别连接于所述功率因数校正模块的输出端和所述负载模块的输入端，其中，所述第三滤波模块包括第三滤波电路，所述第三滤波电路至少包括一级共模电感。

12.一种充电设备，其特征在于，包括：权利要求1至11中任意一项所述的充电电路。

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