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技术领域

本实用新型属于电动汽车充电技术领域，特别涉及一种用于电动汽车充电桩的高效直流充电模块。

背景技术

随着电动汽车产业的快速发展，用户对电动汽车充电桩性能的要求越来越高，而目前电动汽车充电桩建设的规模小、数量少，电动汽车充电桩相关技术大部分还处在实际应用的初级阶段。

电动汽车的发展趋势已经势不可挡，大规模的充电桩（站）建设势必会对地方配网造成影响，由于电动汽车充电形式的多样性，并且在运行中会产生大量的谐波污染，这些都会对变压器、继电保护等设备造成影响，甚至导致继电保护装置的误动或拒动。因此，研究电动汽车智能化充电桩（站）是一项促进电动汽车产业化发展的重要工作，在技术、经济和社会效益等方面也具有重大意义。

高效、高功率密度和高性能的电动汽车充电机是国内外厂商追求的技术目标。为了获取高效、高功率密度和高性能的指标，电动汽车充电机需要工作在较高的开关频率下，然而较高的开关频率带来了较大的开关损耗。因此，要采取相应的措施减小开关过程带来的损耗。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：减小电动汽车充电过程大量的谐波污染以及开关过程带来的损耗。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种用于电动汽车充电桩的高效直流充电模块，包括前级AC-DC部分和后级DC-DC部分，所述前级AC-DC部分与后级DC-DC部分通过CAN模块实现通讯；所述前级AC-DC部分包括EMI模块、整流拓扑结构、驱动电路、前级控制电路、电压电流采样电路、RC吸收电路和风扇；所述后级DC-DC部分包括逆变电路、MOS管驱动电路、后级控制电路、采样电路、隔离变压器、整流电路和输出EMC模块。

优选的，所述整流拓扑结构采用三相PFC整流电路或VIENNA整流电路。

优选的，所述VIENNA整流电路为三电平整流电路，由3个升压电感、6个整流二极管、3组双向功率开关管、两个电解电容组成，每组双向功率开关管由4个整流二极管和1个开关管组成。

优选的，所述开关管选用低压高频率开关管。

优选的，所述后级控制电路采用LLC谐振变换器进行变频控制。

本实用新型的工作原理：用于电动汽车充电桩的高效直流充电模块（以下称充电模块）的前级AC-DC部分采用三相PFC整流或VIENNA整流拓扑结构，将输入三相电压变换为高压直流母线电压，并保证输入电流具有较高的波形质量和较高的功率因数。后级DC-DC部分采用LLC谐振控制技术，将VIENNA整流电路的直流输出以谐振软开关的形式进行高能量密度、高频的DC-DC变换，用以实现符合各种直流系统充电要求的稳定的直流输出。

充电模块电路采用AC-DC-DC拓扑形式，直流母线侧并联较大的电容，解除了前后级之间的耦合，前级和后级变换的影响较小。前级采用VIENNA整流电路，将输入三相电压变换为正负400V直流母线电压，并保证输入电流具有较高的波形质量和较高的功率因数。后级采用LLC谐振变换器，将直流电压转换为电池充电所需的电压和电流值，并保证较高的电流电压精度和较低的电流电压纹波。所有开关器件采用MOSFET，具有较高的工作特性，从而实现高频、高效和高功率密度的运行。

本实用新型的有益效果：该充电模块的前级AC-DC部分将输入三相电压变换为高压直流母线电压，保证输入电流具有较高的波形质量和较高的功率因数。该电路采用低压高频开关器件可获得优良的输入电流波形质量，后级DC-DC部分采用LLC谐振（频率调制）控制技术，将前级AC-DC部分整流电路的直流输出以谐振软开关的形式进行高能量密度、高频的DC-DC变换，用以实现符合各种直流系统充电要求的稳定的直流输出，同时LLC谐振变换器采用变频(PFM)控制，能量传输可以通过改变开关频率来进行调节，保证较高的电流电压精度和较低的电流电压纹波，适合于电动公交汽车充电桩系统的要求。

该充电模块具有良好的输出电压调控能力，具有体积小、效率高、稳压稳流精度高、纹波系数小、操作简单、维护方便等特点。可以作为电动汽车充电桩核心模块，也可与智能监控和蓄电池组成电力操作电源系统。

附图说明

图1是本实施例的整体等效框图；

图2是本实施例前级AC-DC部分的VIENNA整流电路等效原理图；

图3是本实施例后级DC-DC部分的LLC谐振变换器等效原理图。

具体实施方式

通过以下详细说明结合附图可以进一步理解本实用新型的特点和优点。所提供的实施例仅是对本实用新型方法的说明，而不以任何方式限制本实用新型揭示的其余内容。

本实施例采用如下技术方案：一种用于电动汽车充电桩的高效直流充电模块，包括前级AC-DC部分和后级DC-DC部分，所述前级AC-DC部分与后级DC-DC部分通过CAN模块实现通讯；所述前级AC-DC部分包括EMI模块、整流拓扑结构、驱动电路、前级控制电路、电压电流采样电路、RC吸收电路和风扇；所述后级DC-DC部分包括逆变电路、MOS管驱动电路、后级控制电路、采样电路、隔离变压器、整流电路和输出EMC模块。

所述整流拓扑结构采用三相PFC整流电路或VIENNA整流电路。

所述VIENNA整流电路为三电平整流电路，由3个升压电感、6个整流二极管、3组双向功率开关管、两个电解电容组成，每组双向功率开关管由4个整流二极管和1个开关管组成。

所述开关管选用低压高频率开关管。

所述后级控制电路采用LLC谐振变换器进行变频控制。

以下结合附图对本实施例进一步说明，如图1所示，本实施例工作流程如下：三相电源从输入经过EMI模块滤除差模信号和共模信号，通过VIENNA整流电路，将交流转化为直流，电压电流采样电路将前级输出反馈给前级控制电路，控制电路调节驱动电路实现对VIENNA整流电路的控制，形成一个PI环路，后级亦有一个相同的PI环路，前后级通过CAN模块实现通讯；前级输出经过逆变电路实现DC-AC的转换，通过隔离变压器达到前后隔离影响的目的，再通过整流电路实现AC-DC的转换，最后通过输出EMC模块实现对输出干扰的消除。

如图2所示，前级VIENNA整流电路电路由3个升压电感，3组双向功率开关管，6个整流二极管和两个电解电容构成。每组双向功率开关管由4个整流二极管和1个开关管组成。通过控制开关管的导通与关断，调节输入电流与输出电压。当开关管导通时，整流电路输入端口与直流电容中点相连；当开关管断开时，整流电路输入端口连接状态与电流方向有关，若电流大于0，输入端口与直流输出电容正极相连，若电流小于0，输入端口与直流输出电容负极相连。通过控制开关管的状态，从而实现对三相交流电压的可控整流。

VIENNA整流电路本质上是一个三电平整流电路，开关器件承受的电压应力为输出直流电压的一半，可选用低压高开关频率的开关器件，从而降低电路损耗、提高系统功率密度。该整流电路不存在直通的风险，可靠性高。

如图3所示，后级LLC谐振变换器由两个主开关管Q1、Q2组成半桥结构，驱动信号是占空比为50%的互补模式工作(为防止上下桥臂直通，信号带有一定的死区时间Tdead)，Q1、Q2互补导通，产生一方波电压Vmid作为谐振回路的输入。谐振电容Cr、谐振电感Lr和变压器励磁电感Lm构成LLC的谐振网络，其中谐振电容Cr也起隔直电容的作用。在变压器副边，二极管D3、D4组成带有中心抽头的全波整流电路，输出电压经输出电容Cout滤波后供负载使用。

充电模块后级采用LLC谐振（频率调制）控制技术，将VIENNA整流电路的直流输出以谐振软开关的形式进行高能量密度、高频的DC-DC变换，用以实现符合各种直流系统充电要求的稳定的直流输出。同时LLC谐振变换器采用变频(PFM)控制，能量传输可以通过改变开关频率来进行调节，适合于电动公交汽车充电桩系统的要求。

综上所述，本实施例前级AC-DC部分采用VIENNA整流拓扑结构，后级DC-DC部分采用LLC谐振（频率调制）控制技术，将VIENNA整流电路的直流输出以谐振软开关的形式进行高能量密度、高频的DC-DC变换。该充电模块具有效率高、稳压稳流精度高、纹波系数小、操作简单、维护方便等特点。此产品可以作为电动汽车充电桩核心模块，也可与智能监控和蓄电池组成电力操作电源系统。