一种紧凑型电动汽车充电模块的制作方法

本实用新型属于电力电子领域，具体涉及一种电动汽车充电模块。

背景技术：

随着能源危机日益凸显，居住环境日益恶化，节能减排成为各国的共识。电动汽车作为一种新型交通工具，在改善环境、缓解能源危机等方面具有很大的优势，而电动汽车充电设施建设是电动汽车产业健康发展的前提和基础。随着电力电子技术的发展，目前其核心组件——电动汽车充电模块技术的研发也取得了很大的突破，但依然存在体积大、功率密度小、噪声大、效率不高等问题。

为了减小体积、降低噪声、提高效率，电动汽车充电模块一般选用高开关频率的Si材料MOSFET，但Si材料的MOSFET存在导通电阻大、耐压比较低的问题。由于器件耐压和电流的限制，充电模块AC-DC部分一般采用三电平结构，应用比较广泛的是三相PFC电路或者维也纳电路，为了增大功率等级一般采用器件并联或者两路并联的方式，如图2所示。专利201220300814.3《交错并联三相PFC电路》还提供了一种交错并联的应用方式；充电模块DC-DC部分一般采用两路移相全桥级联方式，其中整流侧一般采用二极管不控整流方式，如图3所示。

但是这些传统方式存在一些问题：（1）三相PFC或者维也纳电路所需器件比较多，造成整体体积大，器件损耗大，且两路并联可能存在环流问题；（2）三相PFC或者维也纳电路直流电压输出需要两个电容串联，存在均压问题；（3）DC-DC部分两路移向全桥级联方式同样存在器件过多和环流问题；（4）由于Si器件特性限制，功率等级偏小，目前现有产品最大为15kW。

技术实现要素：

本实用新型目的是：克服现有电动汽车充电模块体积大、功率密度小、噪声大、效率不高等缺点，提出一种新型的电动汽车充电模块。

具体地说，本实用新型是采用以下技术方案实现的，其由AC/DC单元和DC/DC单元两部分组成，其中AC/DC单元将三相交流电变换为恒定的直流电，DC/DC单元将恒定的直流电变换为可调的直流电，并采用高耐压、高频率、低损耗的SiC器件替换现有技术中AC/DC单元和DC/DC单元中的基于Si器件的开关器件，同时将AC/DC单元传统的三电平结构变为两电平结构，将DC/DC单元传统的两路级联结构变换为单路结构，从而节省器件数量，减小模块体积，降低整体损耗，提高整机效率，同时能提升模块功率等级，达到经济环保的效果。

进一步而言，AC/DC单元由三相输入滤波电抗、三相整流全桥、第一滤波电容组成。三相滤波电抗起到滤波作用；第一滤波电容为薄膜电容或电解电容，可采用多只串、并联结构，起到稳压和滤除谐波的作用；三相整流全桥将输入的三相交流电变换为直流电，起到整流作用。其中三相整流全桥由6组开关管组成，第一开关管的阳极与第二开关管的阴极相连，连接点与A相滤波电感相连，A相滤波电感的另一端与A相电压输入端相连；第三开关管的阳极与第四开关管的阴极相连，连接点与B相滤波电感相连，B相滤波电感的另一端与B相电压输入端相连；第五开关管的阳极与第六开关管的阴极相连，连接点与C相滤波电感相连，C相滤波电感的另一端与C相电压输入端相连；第一开关管的阴极、第三开关管阴极和第五开关管的阴极相连后与第一滤波电容的正极相连，作为AC/DC的正输出端；第二开关管的阳极、第四开关管阳极和第五开关管的阳极相连后与第一滤波电容的负极相连，作为AC/DC的负输出端。

上述三相整流全桥的开关管采用高耐压、高频率、低导通电阻的SiC MOSFET，其开关频率一般为50-200kHz。

进一步而言，DC/DC单元主要包括第二滤波电容、单相逆变全桥、传输电感、隔直电容、高频变压器、单相不控整流全桥、第三滤波电容。三相整流全桥的直流侧与单相逆变全桥的直流侧相连，第二滤波电容连接在单相逆变全桥的直流侧，第二滤波电容为薄膜电容或电解电容，可采用多只串、并联结构，对DC/DC单元输入的直流电压起到稳压和滤除谐波的作用；单相逆变全桥用于将直流电变换为高频交流电，由第七开关管、第八开关管、第九开关管和第十开关管组成，其中第七开关管和第九开关管的阴极与第二滤波电容正极相连，第八开关管和第十开关管的阳极与第二滤波电容负极相连，第七开关管的阳极和第八开关管的阴极相连，连接点与传输电感相连，经过隔直电容连接到两个高频变压器原边的一组同名输入端，第九开关管的阳极和第十开关管的阴极相连，连接点与两个高频变压器原边的另一组同名端相连；传输电感起到短时储能能量和传输能量的作用；隔直电容连接在单相逆变全桥的交流侧，起到隔离直流电压分量的作用；高频变压器采用两个并联使用，将逆变后的高频交流电变换为所需电压等级的高频交流电，同时起到电压隔离作用，其频率范围与单相逆变全桥开关管的开关频率一致，一般为50-200kHz；单相不控整流全桥用于将高频变压器输出的交流电变换为直流电，由第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管组成，其中第一二极管的阳极和第二二极管的阴极相连，并连于两个并联高频变压器副边侧的一组同名端，第三二极管的阳极和第四二极管的阴极相连，连接于两个并联高频变压器副边侧的另一组同名端，第一二极管和第三二极管的阴极接于第三接于第三滤波电容的正极，作为正输出端，第二二极管和第四二极管的阳极接于第三滤波电容的负极，作为变换器副输出端；第三滤波电容为薄膜电容或电解电容，可采用多只串、并联结构，其连接在单相不控整流全桥的输出侧，对DC/DC模块输出的直流电压起到稳压和滤除谐波的作用。

上述单相逆变全桥的开关管采用高耐压、高频率、低导通电阻的SiC MOSFET，开关频率一般为50-200kHz；上述单相不控整流全桥的二极管采用SiC的肖特基二极管。

所述AC/DC单元采用空间矢量脉宽调制控制，实现输出稳定的直流电压；所述DC/DC单元采用移相全桥控制，通过控制逆变单元开关管的开关时刻，调整整流单元输出的直流电压值。

本实用新型的有益效果如下：本实用新型中AC/DC单元采用高耐压、高频率、低导通阻抗的SiC MOSFET替代Si器件，将传统维也纳电路或三相PFC等三电平结构变为两电平结构，避免电容均压问题，同时大量减少了开关管数量，提高开关器件频率，可有效减小模块体积，降低损耗，并提升模块功率等级。本实用新型中DC/DC单元单相逆变全桥采用高耐压、高频率、低导通阻抗的SiC MOSFET，单相不控整流全桥采用高耐压的SiC 肖特基二极管，替代Si 器件，将传统的两路级联结构变为单路结构，避免了两路环流和电容均压问题，同时减少了器件使用数量，提高了开关管的频率，可有效减小模块体积，降低损耗，并提升模块功率等级。本实用新型中高频变压器采用两只并联使用，可以减小单只变压器的尺寸，有利于实现充电模块的紧凑化。采用以上技术方案后，本实用新型提出的紧凑型电动汽车充电模块功率可达20kW，远远高于目前紧凑型充电模块10-15kW的功率等级。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构图。

图2为传统电动汽车充电模块AC/DC拓扑结构图。

图3为传统电动汽车充电模块DC/DC拓扑结构。

图4为本实用新型实施例的AC/DC拓扑结构图。

图5为本实用新型实施例的DC/DC拓扑结构图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实例对本实用新型作进一步详细描述。

实施例一：

该实施例系统框图如图1所示，由AC/DC单元和DC/DC 单元组成，AC/DC单元的输入端接三相电源，输出端接DC/DC单元的输入端，DC/DC单元的输出端作为该电动汽车充电模块的输出端。

如图4所示，AC/DC单元为两电平结构，由三相输入滤波电感（L_A、L_B、L_C）、三相整流全桥、第一滤波电容组成。三相输入滤波电感起到滤波作用，第一滤波电容为薄膜电容或电解电容，可采用多只串、并联结构，起到稳压和滤除谐波的作用；三相整流全桥将输入的三相交流电变换为直流电，起到整流作用。其中三相整流全桥由6组开关管组成，第一开关管S₁的阳极与第二开关管S₂的阴极相连，连接点与滤波电感L_A相连，滤波电感L_A的另一端与A相电压输入端相连；第三开关管S₃的阳极与第四开关管S₄的阴极相连，连接点与滤波电感L_B相连，滤波电感L_B的另一端与B相电压输入端相连； 第五开关管S₅的阳极与第六开关管S₆的阴极相连，连接点与滤波电感L_C相连，滤波电感L_C的另一端与C相电压输入端相连；第一开关管S₁的阴极、第三开关管S₃阴极和第五开关管S₅的阴极相连后与滤波电容的正极相连，作为AC/DC的正输出端；第二开关管S₂的阳极、第四开关管S₄阳极和第六开关管S₆的阳极相连后与滤波电容的负极相连，作为AC/DC的负输出端。

上述开关管S₁ - S₆采用1200V/40毫欧的SiC MOSFET，开关频率可为50-200kHz。

如图5所示，DC/DC单元为单路结构，主要包括第二滤波电容C₂、单相逆变全桥、传输电感L_r、隔直电容C₄、高频变压器T₁和T₂、单相不控整流全桥、第三滤波电容C₃。其中三相整流全桥的直流侧与单相逆变全桥的直流侧相连，第二滤波电容C₂连接在单相逆变全桥的直流侧，第二滤波电容C₂为薄膜电容或电解电容，可采用多只串、并联结构，对DC/DC单元输入的直流电压起到稳压和滤除谐波的作用；单相逆变全桥由4只开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄组成，将直流电变换为高频交流电，其中Q₁和Q₃的阴极与第二滤波电容正极相连，Q₂和Q₄的阳极与第二滤波电容负极相连，Q₁的阳极和Q₂的阴极相连，连接点与传输电感相连，经过隔直电容连接到两个高频变压器原边的一组同名输入端，Q₃的阳极和Q₄的阴极相连，连接点与两个高频变压器原边的另一组同名端相连；隔直电容C₄连接在单相逆变全桥的交流侧，起到隔离直流电压分量的作用；传输电感起到短时储能能量和传输能量的作用；高频变压器T₁和T₂并联，将逆变后的高频交流电变换为所需电压等级的高频交流电，同时起到电压隔离作用，其频率范围与开关管Q₁ - Q₄的开关频率一致，一般为50-200kHz；单相不控整流全桥由二极管D₁、D₂、D₃、D₄组成，将高频变压器输出的交流电变换为直流电，其中D₁的阳极和D₂的阴极相连，并连于两个并联高频变压器副边侧的一组同名端，D₃阳极和D₄的阴极相连，连接于两个并联高频变压器副边侧的另一组同名端，D₁和D₃的阴极接于第三滤波电容的正极，作为正输出端，D₂和D₄的阳极接于第三滤波电容的负极，作为变换器副输出端；第三滤波电容C₃为薄膜电容或电解电容，可采用多只串、并联结构，其连接在单相不控整流全桥的输出侧，对DC/DC模块输出的直流电压起到稳压和滤除谐波的作用。

上述开关管Q₁ - Q₄采用高耐压、高频率、低导通电阻的SiC MOSFET，开关频率一般为50-200kHz；上述二极管D₁ - D₄采用SiC的肖特基二极管。

所述AC/DC单元采用空间矢量脉宽调制的控制方法，实现输出稳定的直流电压，直流电压为750V；DC/DC单元采用移相全桥控制方法，通过控制逆变单元开关管的开关时刻，调整整流单元输出的直流电压值，输出电压范围为200V-500V可调。

虽然本实用新型已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本实用新型的。在不脱离本实用新型之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本实用新型之保护范围。因此本实用新型的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。