本發明涉及充電樁充電技術領域，特別涉及一種集中散熱式大功率的直流充電模塊。

背景技術：

直流充電機根據電動汽車電池管理系統的實時需求，將三相四線380vac交流輸入隔離轉換成需要的直流能量(bms實時的需求電壓、需求電流)并對電動汽車的電池組進行充電。直流充電機的功率轉換部是直流充電模塊，現階段使用的直流充電模塊采用的方案是電信機房中使用的主動風冷式直流充電模塊，其隱患相當明顯：

1、在15kw功率密度較高的直流充電模塊中，采用集成度相當高的dsp單片機和數字邏輯電路實行采樣控制，器件管腳間距小，三防涂層一旦被腐蝕，線路板直接損壞，嚴重的會造成短路或炸機。

2、一般的15kw功率密度較高的主動風冷式直流充電模塊內部使用了2個小直流風機(尺寸受限制)，模塊的散熱完全依賴于直流風機，風機的使用壽命直接決定了模塊的使用壽命。但是直流風機體格越小，內部的零件脆弱，容易損壞，散熱效果不佳，在主動風冷的工作模式下，溫度、粉塵、潮濕、油污、霉變、鹽霧、化學物質等等各類因素嚴重的損害著直流風機使用壽命。

3、在15kw功率密度較高的直流充電模塊中，大容值電容都是使用了電解液式的鋁電解電容，單個直流充電模塊滿載輸出時的溫升約18℃，部分靠近模塊內部散熱器的電解溫升＞30℃，高溫惡劣環境將嚴重的影響鋁電解電容的使用壽命。

4、傳統的直流充電模塊的拓撲結構是采用無橋維也納整流電路和基于三電平的llc諧振電路，使用了大量的場效應管并聯來實現大功率的輸出，結構復雜，元件太多，增加了成本。

5、其他傳統的直流充電模塊個體體積小，輸出功率較小，而市場上所需求主要生產的直流充電模塊最大輸出功率一般為15kw，小功率輸出的直流充電模塊滿足不了市場的需求。

技術實現要素：

本發明的主要目的是提出一種直流充電模塊，旨在提高模塊可靠性。

為實現上述目的，本發明提出的一種直流充電模塊，其特征在于，包括交流emi濾波電路、工頻整流電路、pfc電路、llc全橋諧振電路、高頻變壓器、高頻整流電路和防倒灌直流輸出電路、pwm隔離驅動控制電路、控制器，其中交流emi濾波電路的輸入端引入三相交流電，交流emi濾波電路的輸出端連接工頻整流電路的輸入端，工頻整流電路的輸出端連接pfc電路的輸入端，pfc電路的輸出端連接llc全橋諧振電路，llc全橋諧振電路的輸出端與高頻變壓器的初級線圈連接，高頻變壓器的次組線圈與高頻整流電路的輸入端連接，高頻整流電路的輸出端與防倒灌直流輸出電路的輸入端連接，防倒灌直流輸出電路的輸出端輸出直流電，控制器通過pwm隔離驅動控制電路與pfc電路及llc全橋諧振電路連接，高頻整流電路的輸出參數通過pwm隔離驅動控制電路采樣回控制器。

優選地，開關器件既可以采用絕緣柵雙極型晶體管igbt器件，又可以采用碳化硅sic功率模塊。開關器件額定電流大于200a。功率器件安裝在散熱器上，散熱器是風冷或液冷散熱器；直流充電模塊控制器和pwm隔離驅動電路封裝在導熱殼體內，導熱殼體與散熱器隔離實現隔熱。

優選地，所述直流充電模塊控制器和pwm隔離驅動電路封裝在弱電防水殼體內，一方面與直流充電單元的大功率器件熱隔離，有效地防止了溫度、粉塵、潮濕、油污、霉變、鹽霧、化學物質等各類因素對控制器內部的電子元器件及印刷電路板的嚴重損害，提高了防塵和防濕氣的ip防護等級。

優選地，所述pfc電路包括開關器件q5、三相橋式整流電路、電容c1和c2、電流互感器t1、電感l1和二極管d7，所述三相橋式整流電路由六個整流管d1、d2、d3、d4、d5和d6構成的三相橋式整流電路，其中q5的門極與pwm驅動單元連接，q5的集電極與二極管d7的陽極連接及電感l1的一端連接，q5的發射極與電流互感器t1初級線圈連接，電流互感器t1的次級線圈與輸入電流采樣電路的輸入端連接，電流互感器t1的初級線圈還與電容c1和c2的一端連接，電容c1的另一端與電感l1的另一端連接，電容c2的另一端與二極管d7的陰極連接，及與輸入電壓采樣電路的輸入端連接。

優選地，所述pfc電路還包括設置于脈沖調制單元的隔離驅動側的電流互感器t1，所述電流互感器t1的一端與整流電路的輸出端相連，其另一端與開關管q5的電流輸出端連接，所述電流互感器t1用于提供pfc電路采樣峰值電流檢測。

優選地，所述llc全橋諧振電路包括由4個開關管q1、q2、q3、q4布置成全橋結構的主控開關管，q1設置為輸入側上橋，q3設置為輸出側上橋，q2設置為輸入側下橋，q4設置為輸出側下橋，其中q1、q4互補導通，q3、q2互補導通；所述llc全橋諧振電路還包括與全橋結構主控開關管串聯連接的llc諧振電路，所述llc諧振電路包括依次串聯的諧振電容cr、諧振電感lr和激磁電感lm及與激磁電感lm相并聯的變壓器t2，以用于將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓。

優選地，所述整流輸出電路設置于llc全橋諧振電路中變壓器t2的副邊，所述整流輸出電路包括橋式整流電路、電容c3和防倒灌二極管d8，所述電容c3與橋式整流電路并聯連接，所述防倒灌二極管d8設置于整流輸出電路的正極，所述電容c3為輸出電壓檢測點；所述整流輸出電路還包括電阻r1，電阻r1設置在整流輸出電路的負極，所述電阻r1為輸出電流的檢測點。

本發明中，直流充電模塊采用模塊化結構設計，通過導熱外殼封裝控制單元，通過導熱外殼對大功率發熱器件中控制單元進行封裝，以便與直流充電單元熱隔離，有效地防止了溫度、粉塵、潮濕、油污、霉變、鹽霧、化學物質等各類因素嚴重損害直流充電模塊的使用壽命及模塊內部的電子元器件及印刷電路板，從而導致直流充電模塊的不可逆的物理、化學損壞，提高了直流充電模塊的國際要求的ip防護等級。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖示出的結構獲得其他的附圖。

圖1為本發明直流充電模塊原理示意圖；

圖2為本發明直流充電模塊原理框圖；

本發明目的的實現、功能特點及優點將結合實施例，參照附圖做進一步說明。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

需要說明，本發明保護是直流充電模塊的電源電路的拓撲結構及元件的改進應用。

參照圖1-2，本發明公開了一種直流充電模塊，直流充電模塊接收非車載直流充電機控制器的輸出指令，將三相四線交流電轉換成電動汽車需要的直流電。

進一步地，所述直流充電模塊包括交流emi濾波電路、工頻整流電路、pfc電路、llc全橋諧振電路、高頻變壓器、高頻整流電路和防倒灌直流輸出電路、pwm隔離驅動控制電路、控制器，其中交流emi濾波電路的輸入端引入三相交流電，交流emi濾波電路的輸出端連接工頻整流電路的輸入端，工頻整流電路的輸出端連接pfc電路的輸入端，pfc電路的輸出端連接llc全橋諧振電路，llc全橋諧振電路的輸出端與高頻變壓器的初級線圈連接，高頻變壓器的次組線圈與高頻整流電路的輸入端連接，高頻整流電路的輸出端與防倒灌直流輸出電路的輸入端連接，防倒灌直流輸出電路的輸出端輸出直流電，控制器通過pwm隔離驅動控制電路與pfc電路及llc全橋諧振電路連接，高頻整流電路的輸出參數通過pwm隔離驅動控制電路采樣回控制器。

本發明實例中pfc電路包括開關器件q5、三相橋式整流電路、電容c1和c2、電流互感器t1、電感l1和二極管d7，所述三相橋式整流電路由六個整流管d1、d2、d3、d4、d5和d6構成的三相橋式整流電路，其中q5的門極與pwm驅動單元連接，q5的集電極與二極管d7的陽極連接及電感l1的一端連接，q5的發射極與電流互感器t1初級線圈連接，電流互感器t1的次級線圈與輸入電流采樣電路的輸入端連接，電流互感器t1的初級線圈還與電容c1和c2的一端連接，電容c1的另一端與電感l1的另一端連接，電容c2的另一端與二極管d7的陰極連接，及與輸入電壓采樣電路的輸入端連接。

本發明實例中llc全橋諧振電路包括四個開關器件及其外圍電路，開關器件分別是q1、q2、q3、q4,其中q1的門極、q2的門極、q3的門極、q4的門極均與pwm驅動單元連接，q1的發射極、q2的集電極、q3的發射極、q4的集電極都與高頻變壓器t2的初級線圈連接，q1的集電極及q3的集電極與與二極管d7的陰極連接，q2的發射極及q4的發射極都與與高頻變壓器t2的初級線圈連接；上述其外圍電路包括諧振電感lr、諧振電容cr和激磁電感lm，諧振電感lr的一端與q3的發射極及q4的集電極連接，諧振電感lr的另一端與諧振電容cr的陽極連接，諧振電容cr的陰極與高頻變壓器t2的初級線圈的一端連接，高頻變壓器t2的初級線圈的另一端連接q1的發射極及q2的集電極，激磁電感lm的兩端分別連接高頻變壓器t2的初級線圈的兩端。

本發明實例中高頻整流電路包括由二極管d9、d10、d11、d12組成的橋式整流電路；所述防倒灌直流輸出電路包括二極管d8、電容c3和電阻r1，二極管d8的陽極與由二極管d9、d10、d11、d12組成的橋式整流電路的輸出端連接，二極管d8的陰極與充電機的直流母線的正極u0+連接，電容c3的陽極連接于二極管d8的陽極與由二極管d9、d10、d11、d12組成的橋式整流電路的輸出端之間及輸出電壓采樣電路的輸入端連接，電容c3的陰極與充電機的直流母線的負極u0-連接及輸出電壓采樣電路的輸出端連接，電阻r1串聯于電容c3與充電機的直流母線的負極u0-之間，且與輸出電流采樣電路的輸入端連接。

本發明實例中直流充電模塊中開關器件q1、q2、q3、q4、q5采用絕緣柵雙極型晶體管igbt器件或碳化硅sic功率模塊，且開關器件額定電流大于200a。

本發明實例中直流充電模塊開關器件q1、q2、q3、q4、q5以及功率二極管d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8、d9、d10、d11、d12均為功率器件，安裝在散熱器上；散熱器是風冷和/或液冷散熱器。

在本發明實施例中，直流充電模塊采用模塊化結構設計，通過導熱外殼對大功率發熱器件中控制器進行封裝，以便與直流充電模塊熱隔離，有效地防止了溫度、粉塵、潮濕、油污、霉變、鹽霧、化學物質等各類因素嚴重損害直流充電模塊的使用壽命及模塊內部的電子元器件及印刷電路板，從而導致直流充電模塊的不可逆的物理、化學損壞，提高了直流充電模塊的國際要求的ip防護等級，尤其提高充電機在惡劣環境下的使用壽命。需要說明一下，ip(ingressprotection)防護等級系統是由iec(internationalelectrotechnicalcommission)所起草，將電器依其防塵防濕氣之特性加以分級。ip防護等級是兩個數字所組成，第1個數字表示電器防塵、防止外物侵入的等組，第2個數字表示電器防濕氣、防水侵入的密閉程度，數字越大表示其防護等級越高。

在本發明實施例中，直流充電單元中主回路大功率發熱電子元件，包括交流整流二極管，pfc整流電路的開關管、高速整流管，llc全橋諧振電路的開關管、高速整流管、儲能電感、變壓器、儲能電容等等，均安裝在專用的大體積散熱器上來散熱，散熱器通過外圍充電機配備的風冷或液冷來散熱，結構簡單且散熱效率很明顯。

在本發明實施例中，所述直流充電模塊中開關管均采用絕緣柵雙極型晶體管igbt者碳化硅sic功率模塊替代傳統直流充電電源模塊中使用的場效應管(mosfet)，碳化硅sic功率模塊具有低切換損耗和耐工作高溫的特點，使功率模塊在極端條件下實現可靠運行；絕緣柵雙極型晶體管igbt(insulatedgatebipolartransistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由bjt(雙極型三極管)和mos(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件,兼有mosfet的高輸入阻抗和gtr的低導通壓降兩方面的優點。gtr飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；mosfet驅動功率很小，開關管速度快，但導通壓降大，載流密度小。igbt綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。在室溫條件下，其集電極發射電壓可達1200v，平均前向電流為600a，容許的最大直流電流為750a，因此該晶體管具備承受高電壓大電流的能力。相同正向導通電流下，使用場效應mos管的數量是絕緣柵雙極型晶體管igbt的近13倍；與以往電路比較，pfc整流電路中使用場效應管的數量是絕緣柵雙極型晶體管的39倍；llc全橋諧振電路中使用場效應管的數量是絕緣柵雙極型晶體管的26倍。故通過絕緣柵雙極型晶體管(igbt)替代傳統直流充電電源模塊中使用的場效應管(mosfet)，不僅減少了直流充電模塊中元件使用還能承載更大的輸出功率。

在本實施例中，通過采樣電路對直流充電單元的電壓及電流的采樣點進行采樣，傳送采樣信息到控制單元，控制單元再根據采樣信息結合接收到充電需求，內部運算得出最大允許輸出功率指令，傳送至pwm驅動單元，pwm驅動單元根據接收到的最大允許輸出功率驅動直流充電單元中的開關管，以便保證實際輸出功率小于最大允許輸出功率。

在本發明實施例中，公開了一種更成熟穩定的直流充電模塊的電源電路的拓撲結構，與傳統直流充電模塊比較，傳統直流充電模塊使用場效應管作為開關管元件，受限于場效應管耐壓不夠，傳統的pfc整流電路采用無橋維也納整流技術，傳統的llc全橋諧振電路采用三電平電源技術，開關管元件數量成倍數的增長，元件自身的差異性既導致整機可靠性直線下降，設計裕量導致開關管元件數量直線上升。本發明完全拋棄傳統直流充電模塊的電源拓撲結構，采用更成熟穩定的電源拓撲結構，pfc整流電路采用成熟的boost升壓電路，llc全橋諧振電路舍棄三電平電源部分電路，僅需llc全橋諧振電路。這樣，通過本發明直流充電模塊的電源拓撲結構，即減省了元件的使用，提高了直流充電模塊的散熱效果，延長直流充電模塊的使用壽命，又精減了電源拓撲結構，提高了輸出功率的最大值。

需要說明一下，控制器與充電機控制器連接，所接收輸出電壓或電流指令來自于充電機控制器，而充電機控制器所下發的輸出電壓或電流指令是根據充電機控制器與電動車的bms系統或者其他具有充電控制功能的車載控制器之間通信連接，通過充電握手階段所配置的充電參數的分析處理而得到的所需充電的輸出電壓或電流指令。

在本實施例中，本發明采用pfc整流電路結合llc全橋諧振電路的雙閉環控制pwm脈沖寬度調制技術，通過對控制器發出的命令脈沖的寬度進行隔離調制，等效地獲得所需要的模擬波形(含形狀和幅值)以驅動電路中開關管的導通或關斷。

本發明實例中直流充電模塊控制器和pwm隔離驅動電路封裝在導熱殼體內，直流充電模塊控制器及pwm隔離驅動電路與散熱器隔離設置，以便隔熱。

以上僅為本發明的優選實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是在本發明的發明構思下，利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構變換，或直接/間接運用在其他相關的技術領域均包括在本發明的專利保護范圍內。