充电电源模块、包含其的充电电源以及充电装置的制作方法

本发明涉及充电技术，特别涉及充电电源模块、包含该充电电源模块的充电电源以及充电装置。

背景技术：

目前市面上用于电动汽车的直流快速充电桩多配备较低功率等级的充电电源模块，这种充电电源模块采用三电平pfc与llc变换器或三电平pfc与移相全桥的组合形式，这种拓扑结构的输出电压范围是受限的(最高电压和最低电压之比一般不超过3)，否则电源模块的dc/dc级磁性元器件的设计会变得异常困难，同时还会导致某些输出电压范围内的性能下降。此外，如果需要在保持体积和重量不过多增加的同时进一步提高功率等级，则将进一步增大基于这种拓扑结构的充电电源的开发难度。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种充电电源模块、充电电源和充电装置，其能够提供高充电功率并且具有紧凑的结构。

按照本发明的一个方面，所提供的充电电源模块包含：

ac/dc变换单元，包含至少一个具有三相三电平维纳拓扑结构的主电路；

dc/dc变换单元，包含：

第一交错并联buck变换器，其耦合在所述主电路的直流正母线与零母线之间；

第二交错并联buck变换器，其耦合在所述主电路的直流负母线与零母线之间；以及

控制单元，配置为控制所述主电路、第一和第二交错并联buck变换器中的开关元件的占空比。

可选地，在上述充电电源模块中，所述第一交错并联buck变换器的第一输入端与直流正母线耦合，输出端经第一线圈耦合至所述dc/dc变换单元的正极输出端，所述第二交错并联buck变换器的第一输入端与直流负母线耦合，输出端经第二线圈耦合至所述dc/dc变换单元的负极输出端，所述第一和第二交错并联buck变换器的第二输入端与零母线和所述dc/dc变换单元的零电位端耦合。

可选地，在上述充电电源模块中，所述控制单元配置为基于所述主电路的输入侧的电压和电流、直流母线上的母线电压来控制所述主电路的开关元件的占空比以在直流母线上提供所需的母线电压。

可选地，在上述充电电源模块中，所述控制单元配置为基于所述第一和第二交错并联buck变换器的输出电流以及所述dc/dc变换单元的输出电压来控制所述第一和第二交错并联buck变换器的开关元件的占空比以在所述dc/dc变换单元的正极输出端和负极输出端处提供所需的输出电压。

可选地，在上述充电电源模块中，所述控制单元还配置为基于所述dc/dc变换单元的输出电流来调整所述第一和第二交错并联buck变换器的开关元件的占空比以使所述dc/dc变换单元的正极输出端和负极输出端处的输出电流均衡。

可选地，在上述充电电源模块中，所述主电路、第一和第二交错并联buck变换器中的开关元件采用sic金属氧化物半导体场效应管。

可选地，在上述充电电源模块中，所述ac/dc变换单元包含两个或更多个具有三相三电平维纳拓扑结构的主电路，各个主电路的直流正母线、零母线和直流负母线被分别连接在一起。

按照本发明还有一个方面，所提供的充电电源包含至少一个如上所述的充电电源模块。

可选地，在上述充电电源中，所述充电电源模块的数量为两个或两个以上，每个所述充电电源模块的正极输入端和负极输入端分别被共接在一起。

按照本发明还有一个方面，所提供的充电装置包含：

上述充电电源；

充电接口，其与所述充电电源耦合。

可选地，上述充电装置为用于电动汽车的充电桩或换电站电气柜。

按照本发明的一个或多个实施例，充电电源模块中的开关元件采用sic半导体器件，由此可以在不大幅增加充电电源体积的情况下提高功率等级并缩短充电时间。此外，按照本发明事事顺利的充电电源模块能够提供宽范围的电压输出等级，因而具有兼容性强的优点。再者，所提供的高电压等级可以降低充电枪的设计难度并且使得选用直径较细的枪线成为可能。

附图说明

本发明的上述和/或其它方面和优点将通过以下结合附图的各个方面的描述变得更加清晰和更容易理解，附图中相同或相似的单元采用相同的标号表示。附图包括：

图1为按照本发明一个实施例的充电电源模块的电路原理图。

图2为实施图1所示充电电源模块中的ac/dc变换单元的稳压控制过程的示意框图。

图3a和3b为实施图1所示充电电源模块中的dc/dc变换单元的稳压控制过程的示意框图。

图4a和4b为实施图1所示充电电源模块中的dc/dc变换单元的电流均衡控制过程的示意框。

图5为按照本发明一个或多个实施例的包含多个主电路的充电电源模块的示意图。

图6为按照本发明一个或多个实施例的包含多个充电电源模块的充电电源的示意图。

图7为按照本发明一个或多个实施例的充电装置的示意框图。

具体实施方式

下面参照其中图示了本发明示意性实施例的附图更为全面地说明本发明。但本发明可以按不同形式来实现，而不应解读为仅限于本文给出的各实施例。给出的上述各实施例旨在使本文的披露全面完整，以将本发明的保护范围更为全面地传达给本领域技术人员。

在本说明书中，诸如“包含”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书和权利要求书中有直接和明确表述的单元和步骤以外，本发明的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其它单元和步骤的情形。

诸如“第一”和“第二”之类的用语并不表示单元在时间、空间、大小等方面的顺序而仅仅是作区分各单元之用。

“耦合”应当理解为包括在两个单元之间直接传送电能量或电信号的情形，或者经过一个或多个第三单元间接传送电能量或电信号的情形。

图1为按照本发明一个实施例的充电电源模块的电路原理图。

如图1所示，充电电源模块10包括ac/dc变换单元110、dc/dc变换单元120以及控制单元130。

参见图1，ac/dc变换单元110包含主电路111，该主电路具有三相三电平vienna拓扑结构，其包括由二极管d11-d16构成的三相二极管整流桥，在工作时三相电网的每一相u-w分别经各自的电感元件(电感元件l11-l13的其中一个)接入三相二极管整流桥的输入端a-c的其中一个。此外，在输入端a-c的每一个与母线电容器c11、c12的中点o之间各接入相应的双向开关s11-s13。每个双向开关具有相同或相似的结构和元件。以双向开关s11为例，其包括金属氧化物半导体场效应晶体管(mos管)t11a、t11b，二极管d17a和d17b分别并联在mos管t11a、t11b的源极与漏极之间。mos管t11a、t11b的栅极则耦合至控制单元130。在工作时，控制单元130通过控制mos管的占空比，在直流正母线p和直流负母线n上提供所需的直流电压。特别是，当双向开关s11导通时，u相电流iu流过mos管t11a、t11b，桥臂中点被嵌位到中点o；当双向开关s11导通时，如果u相电流iu>0，则该电流将流经二极管d11，桥臂中点被嵌位到直流正母线p，如果u相电流iu<0，则该电流将流经二极管d14，桥臂中点被嵌位到直流正母线n。在本发明的一个或多个实施例中，可选地，mos管t11a、t11b共用驱动信号以降低控制和驱动难度。

在本发明的一个或多个实施例中，ac/dc变换单元中的开关元件或mos管优选地采用sicmos管。与超结金属氧化物半导体场效应晶体管(coolmos)相比，在图1所示的主电路中采用sicmos管不仅可以提高变换效率和功率密度，而且可以减小变换器的电磁辐射。此外，sicmos管的耐压等级为1200vdc，因此母线电压最高可以到900vdc。当母线电压提高至900vdc后，通过控制dc/dc变换单元的工作方式(例如使后级buck变换器的mos管工作在常闭模式下)，可以使得充电电源模块输出900vdc的高压，这大大减小了大功率充电时的电流，并且在提高整体充电系统效率的同时也减小了充电枪设计的难度。

继续参见图1，dc/dc变换单元120包含第一交错并联buck变换器121和第二交错并联buck变换器122，其中，第一交错并联buck变换器121耦合在主电路111的直流正母线p与零母线o之间，而第二交错并联buck变换器122耦合在主电路111的直流负母线n与零母线o之间。此外，dc/dc变换单元120的零电位端o'与ac/dc变换单元110的零母线o相连。在图1所示的dc/dc变换单元120中，第一和第二交错并联buck变换器121、122具有相同的结构和组成元件，为避免赘述，以下仅以第一交错并联buck变换器121为例描述它们的内部结构。

如图1所示，第一交错并联buck变换器121包含以交错并联方式连接的两个buck变换电路。特别是，两个变换电路的mos管t21a和t21b的源极和漏极的其中一个共接在一起构成第一输入端，该第一输入端耦合至直流正母线，而它们的源极和漏极中的另外一个则经各自的电感元件l21a、l21b耦合至电感元件l23，并经电感元件l23耦合至dc/dc变换单元120的正极输出端v+。此外，第一交错并联buck变换器121的第二输入端连接至零母线o和dc/dc变换单元120的零电位端o'，并且mos管t21a、t21b的源极和漏极中的另外一个还经各自对应的反向偏置二极管d22a、d22b耦合至该第二输入端。参见图1，在mos管t21a、t21b的源极和漏极之间还分别连接有反向偏置的二极管d21a、d21b。

如图1所示，位于dc/dc变换单元120的输出侧的电感元件l23与电容器c23以及电感元件l24与电容器c24形成lc滤波器以进一步减小输出电压和电流纹波。

在图1所示的dc/dc变换单元中，mos管t21a、t21b、t22a、t22b的栅极耦合至控制单元130。在工作时，控制单元130通过控制mos管的占空比，在dc/dc变换单元120的正极输出端v+和负极输出端v-处提供所需的直流电压。

为了进一步提高功率密度和效率，可选地，dc/dc变换单元120中的mos管也可选用1200v耐压的sicmos管以提高耐压等级和减少电磁辐射。为了更进一步提高效率，可选地，dc/dc变换单元120也可以采用同步整流技术，其中的整流二极管d22a、d22b、d23a、d23b均以mos管代替。

以下借助附图对控制单元130的控制原理作进一步的描述。

图2为实施图1所示充电电源模块中的ac/dc变换单元的稳压控制过程的示意框图。需要理解的是，对于三相交流电的任一相，其均可采用图2所示的控制流程。示例性地，以下以u相为例进行描述。

如图2所示，首先确定母线电压参考值vbusref与母线电压实际值vbus(vbus＝直流正母线的电压实际值vp-直流负母线的电压实际值vn)之间的差值。随后对该差值(vbusref-vbus)进行滤波处理(例如利用比例积分(pi)控制器)以得到电压参数vea。接着，基于下式确定电流参数iea：

iea＝kmab/c²(1)

其中，km为常数，a为u相交流电压的幅值vinac，b为u相交流电压幅值的平均值vinac_avg，c为电压参数vea。

接着，确定电流参数iea与u相交流电流ipfc的差值，并且对该差值(iea-ipfc)进行滤波处理(例如利用比例积分(pi)控制器)以得到与所需的母线电压vbusref相对应的mos管t11a、t11b的占空比dpfc。

对于双向开关s12和s13，图2所示的控制流程也是适用的，此处不再赘述。

图3a和3b为实施图1所示充电电源模块中的dc/dc变换单元的稳压控制过程的示意框图，其中图3a针对的是第一交错并联buck变换器，图3b针对的是第二交错并联bucl变换器。

如图3a所示，首先确定dc/dc变换单元120的正极输出端v+处的电压实际值vbuck1与电压参考值voref的差值。随后对该差值(vbuck1-voref)进行滤波处理(例如利用比例积分(pi)控制器)以得到电流参数iea1。接着，确定电流参数iea1与第一交错并联buck变换器的两个buck变换单元的输出电流ia、ib(参见图1)的差值，并且对该差值(iea1-ia-ib)进行滤波处理(例如利用比例积分(pi)控制器)以得到与所需的正极输出电压voref相对应的mos管t21a、t21b的占空比dbuck1。

如图3b所示，首先确定dc/dc变换单元120的正极输出端v-处的电压实际值vbuck2与电压参考值voref的差值。随后对该差值(vbuck2-voref)进行滤波处理(例如利用比例积分(pi)控制器)以得到电流参数iea2。接着，确定电流参数iea2与第二交错并联buck变换器的两个buck变换单元的输出电流ic、id(参见图1)的差值，并且对该差值(iea2-ic-id)进行滤波处理(例如利用比例积分(pi)控制器)以得到与所需的负极输出电压voref相对应的mos管t22a、t22b的占空比dbuck2。

图4a和4b为实施图1所示充电电源模块中的dc/dc变换单元的电流均衡控制过程的示意框图，其中图4a针对的是第一交错并联buck变换器，图4b针对的是第二交错并联bucl变换器。

如图4a所示，首先确定第一交错并联buck变换器121的输出电流的参考值ioref与实际值ibuck1的差值。随后对该差值(ioref-ibuck1)进行滤波处理(例如利用比例积分(pi)控制器)以得到电流均衡所需的mos管t21a、t21b的占空比的修正值δdbuck1。

如图4b所示，首先确定第二交错并联buck变换器122的输出电流的参考值ioref与实际值ibuck2的差值。随后对该差值(ioref-ibuck2)进行滤波处理(例如利用比例积分(pi)控制器)以得到电流均衡所需的mos管t22a、t22b的占空比的修正值δdbuck2。

图1所示的充电电源模块具有良好的扩展性。具体而言，虽然图1的ac/dc变换单元仅示出一个主电路，但是其也可以包含更多个主电路。图5为按照本发明一个或多个实施例的包含多个主电路的充电电源模块的示意图。如图5所示，充电电源模块50包含ac/dc变换单元510和dc/dc变换单元520，其中，ac/dc变换单元510包含多个具有相同结构的主电路510-1～510-n，并且各个主电路的直流正母线、零母线和直流负母线被分别连接在一起。主电路510-1～510-n和dc/dc变换单元520均可采用图1所示的结构，此处不再赘述。

通过上述扩展，一方面提高了充电电源模块的整体功率，另一方面还减小了器件的热应力和电压电流应力。

进一步地，还可以以图1或5所示的充电电源模块为单位进行扩展。图6为按照本发明一个或多个实施例的包含多个充电电源模块的充电电源的示意图。如图6所示，充电电源60包含多个具有相同结构的充电电源模块610-1～610-n，并且各个充电电源模块的正极输出端、零电位端和负极输出端被分别连接在一起。充电电源模块610-1～610-n的每一个可采用图1或5所示的充电电源模块，此处不再赘述。

图7为按照本发明一个或多个实施例的充电装置的示意框图。如图7所示，充电装置70包括充电电源710和与充电电源710耦合的充电接口720。充电电源可采用图6所示的充电电源，此处不再赘述。充电接口720提供了充电电源710与外部被充电设备(例如充电汽车)之间的电气接口。可选地，充电装置可以是充电桩或换电站电气柜等。

提供本文中提出的实施例和示例，以便最好地说明按照本技术及其特定应用的实施例，并且由此使本领域的技术人员能够实施和使用本发明。但是，本领域的技术人员将会知道，仅为了便于说明和举例而提供以上描述和示例。所提出的描述不是意在涵盖本发明的各个方面或者将本发明局限于所公开的精确形式。

鉴于以上所述，本公开的范围通过以下权利要求书来确定。