一种车载充电机变流电路的制作方法

本发明属于车载充电机领域，本发明涉及一种车载充电机变流方法。在车载充电机中，使用电力电子开关与电容合理连接，降低开关的频率和减小电感的用量，从而减小系统的整体损耗并能缩小整机体积，提高了车载充电机的效率；使车载充电机更符合小型轻量化要求。

背景技术：

车载充电机是电动汽车为车载蓄电池充电的重要装置之一；如果电动汽车配备了车载充电机，则能摆脱地面直流充电桩的限制，极大地扩大了电动汽车的活动范围和应用场所；所以车载充电机对电动汽车的推广和发展，对电动汽车用户的便利性体验都具有极其重要的价值。

由于电动汽车是空间有限的移动载具，所以需要车载充电机的体积尽可能地小，重量尽可能地轻；如果把充电机的体积尽可能地做小，则为电动汽车的其它设备(比如蓄电池)留下更多的空间；如果车载充电机的重量尽可能地轻，则电动汽车在行驶中会节约更多的能源。目前车载充电机的主电路变流结构是把交流整流为直流，再把直流逆变为高频交流，通过高频变压，然后再整流为直流给车载蓄电池充电。在这个过程中，为了减小车载充电机的体积，则需提高逆变电路的工作频率。逆变电路工作频率的提高使电力电子开关的损耗增加，高频变压器的损耗也同样增加；使车载充电机的工作温度升高；为了使车载充电机不至于工作温度过高而出现故障，需进行各种高效率的散热设计。可以看出，目前车载充电机的技术方案下的小体积和低损耗是一对矛盾的指标。

技术实现要素：

本发明提出了一种车载充电机变流电路，其使用电力电子开关与电容合理连接，降低开关的频率和减小电感的用量，从而减小系统的整体损耗并能缩小整机体积，提高了车载充电机的效率。

本发明的技术方案如下：

上述的车载充电机变流电路，由交流电源s101、电感l101～l102、电容c101～c103、电力电子开关t101～t103、电池load101连接组成；所述电力电子开关t101～t103采用绝缘栅双极性晶体管；

所述交流电源s101的接地端接地，非接地端串接所述电感l101并通过所述电感l101连接电力电子开关t101的集电极，所述电力电子开关t101的发射极连接所述电力电子开关t102的集电极，所述电力电子开关t102的发射极连接所述电力电子开关t103的集电极，所述电力电子开关t103的发射极连接所述电感l102一端，所述电感l102另一端连接所述电池load101的正极，所述电池load101的负极与所述交流电源s101的接地端相连；

所述电容c101一端连接所述电力电子开关t101的集电极，另一端连接于所述电力电子开关t102的发射极与电力电子开关t103的集电极的连接点；所述电容c102一端连接于所述交流电源s101的接地端，所述电容c102的另一端连接于所述电力电子开关t101的发射极与电力电子开关t102的集电极的连接点；所述电容c103一端连接于所述交流电源s101的接地端，所述电容c103的另一端连接于所述电力电子开关t103的发射极与电感l102的连接点；所述电力电子开关t101～t103的栅极均为控制信号接入端。

一种车载充电机变流电路，由交流电源s201、电感l201～l202、电容c201～c203、绝缘栅双极型晶体管t201～t203、电池load201、电压测量单元m201～m204及电流测量单元m205连接组成；

所述交流电源s201的非接地端串接所述电感l201并通过所述电感l201连接所述绝缘栅双极型晶体管t201的集电极；所述绝缘栅双极型晶体管t201的发射极连接所述绝缘栅双极型晶体管t202的集电极，所述绝缘栅双极型晶体管t202的发射极连接所述绝缘栅双极型晶体管t203的集电极，所述绝缘栅双极型晶体管t203的发射极连接所述电感l202一端，所述电感l202另一端连接所述电流测量单元m205一端，所述电流测量单元m205的另一端连接所述电池load201的正极端，所述电池load201的负极端与所述交流电源s201的接地端相连；所述绝缘栅双极型晶体管t201的栅极为控制信号接入端，所述绝缘栅双极型晶体管t202的栅极为控制信号接入端，所述绝缘栅双极型晶体管t203的栅极为控制信号接入端；

所述电容c201一端连接所述绝缘栅双极型晶体管t201的集电极，另一端连接于所述绝缘栅双极型晶体管t202的发射极与绝缘栅双极型晶体管t203的集电极的连接点；所述电容c202一端连接于所述交流电源s201的接地端，所述电容c202的另一端连接于所述绝缘栅双极型晶体管t201的发射极与绝缘栅双极型晶体管t202的集电极的连接点；所述电容c203一端连接于所述交流电源s201的接地端，所述电容c203的另一端连接于所述绝缘栅双极型晶体管t203的发射极与电感l202的连接点；

所述电压测量单元m201并联于所述交流电源s201和电感l201的串联体两端；所述电压测量单元m202并联于所述电容c202的两端；所述电压测量单元m203并联于所述电容c201的两端；所述电压测量单元m204并联于所述电容c203的两端。

一种车载充电机变流电路，由交流电源s301、电感l301～l302、电容c301～c303、晶闸管t301～t303、电池load301、电压测量单元m301～m304及电流测量单元m305连接组成；

所述交流电源s301的接地端接地，非接地端串接所述电感l301并通过所述电感l301连接所述晶闸管t301的阳极；所述晶闸管t301的阴极连接所述晶闸管t302的阳极，所述晶闸管t302的阴极连接所述晶闸管t303的阳极，所述晶闸管t303的阴极连接所述电感l302一端，所述电感l302另一端连接所述电流测量单元m305一端，所述电流测量单元m305另一端连接所述电池load301的正极端，所述电池load301的负极端与所述交流电源s301的接地端相连；所述晶闸管t301的门极为控制信号接入端，所述晶闸管t302的门极为控制信号接入端，所述晶闸管t303的门极为控制信号接入端；

所述电容c301一端连接所述晶闸管t301的阳极，另一端连接于所述晶闸管t302的阴极与晶闸管t303的阳极的连接点；所述电容c302一端连接于所述交流电源s301的接地端，所述电容c302的另一端连接于所述晶闸管t301的阴极与晶闸管t302的阳极的连接点；所述电容c303一端连接于所述交流电源s301的接地端，所述电容c303的另一端连接于所述晶闸管t303的阴极与电感l302的连接点；

所述电压测量单元m301并联于所述晶闸管t301的两端；所述电压测量单元m302并联于所述晶闸管t302的两端；所述电压测量单元m303并联于所述晶闸管t303的两端。

一种车载充电机变流电路，其由交流电源s401、电感l401～l402、电容c401～c403、晶闸管t401～t402、二极管d401、电池load401、电压测量单元m401～m403及电流测量单元m404连接组成；

所述交流电源s401的非接地端串接所述电感l401并通过所述电感l401连接所述晶闸管t401的阳极；所述晶闸管t401的阴极连接所述二极管d401的阳极，所述二极管d401的阴极连接所述晶闸管t402的阳极，所述晶闸管t402的阴极连接所述电感l402一端，所述电感l402另一端连接所述电流测量单元m404一端，所述电流测量单元m404另一端连接所述电池load401的正极端，所述电池load401的负极端与所述交流电源s401的接地端相连；所述晶闸管t401的门极为控制信号接入端，所述晶闸管t402的门极为控制信号接入端；

所述电容c401一端连接所述晶闸管t401的阳极，另一端连接于所述二极管d401的阴极与晶闸管t402的阳极的连接点；所述电容c402一端连接于所述交流电源s301的接地端，所述电容c402的另一端连接于所述晶闸管t401的阴极与二极管d401的阳极的连接点；所述电容c403一端连接于所述交流电源s301的接地端，所述电容c403的另一端连接于所述晶闸管t402的阴极与电感l402的连接点；

所述电压测量单元m401并联于所述晶闸管t401的两端；所述电压测量单元m402并联于所述晶闸管t402的两端；所述电压测量单元m403并联于所述电容c401的两端。

有益效果：

本发明车载充电机变流电路结构设计简单、合理，使用电力电子开关与电容合理连接，降低开关的频率和减小电感的用量，从而减小系统的整体损耗并能缩小整机体积，提高了车载充电机的效率，使车载充电机更符合小型轻量化要求，和同类产品相比，具有极强的市场竞争力。

本发明车载充电机变流电路直流输出电压调节范围宽，本发明变流电路输入为单相交流，输出直流电压的调节变化范围为零到两倍交流输入最大值电压。比如，如果输入为单相交流220v，则单相交流的峰值电压为310v，直流输出电压为0-620v电压范围内可以连续调节。直流输出电压连续调节的范围比普通整流可控电路扩大一倍，能够很好地为电动汽车车载蓄电池提供充电电压。

本发明车载充电机变流电路具有软自然负载特性；本发明所指的自然负载特性，是指在电力电子开关t101～t103工作在自然工作方式下，输出电压随负载变化的特性曲线；本发明车载充电机变流电路，在输入电压保持不变的条件下，输出电压随负载的增加而按近似反比例曲线下降，也就是说直流输出电流越大，直流输出电压越低。电动汽车车载蓄电池的充电需求是当蓄电池的端电压低的时候，需要的充电电流大，当蓄电池的端电压升高的时候，所需要的充电电流小；所以，本发明车载充电机变流电路的自然负载特性曲线与电动汽车车载蓄电池的充电特性曲线的趋势具有一致性；这意味着本发明车载充电机变流电路只需要简单的控制就能满足车载蓄电池充电特性曲线的需要。

本发明车载充电器变流电路中的电力电子开关的工作频率较低；电力电子开关t101～t103的最高工作频率为交流电源的输入频率，如果交流电源的工作频率为50hz，则电力电子开关t101～t103的最高工作频率为50hz；和目前市面上主流车载充电机的几十千赫兹的开关频率相比，本发明变流电路的开关损耗可以忽略不计；由于开关频率低，电力电子开关的损耗降低；同时，由于开关频率低，对电力电子开关的性能指标也可以降低，这以为着可以降低电力电子开关器件的成本，甚至可以使用可控硅等成本较低的半控型器件；由于开关频率低，由开关产生的谐波频率也低，低的谐波频率有助于降低电感上的磁滞和涡流损耗。

在本发明车载充电机变流电路中，如果没有电感l101和电感l102，车载充电机将交流转换为直流的基本功能不受影响，可以实现车载充电机的无电感化；也就是说，如果要追求提升效率和减小体积的极限效果，可以去掉电感l101和电感l102；如果没有电感l102，输出的直流电流为脉冲式电流；如果没有电感l101，则整个变流电路的功率因数较低，且表现为容性负载。

附图说明

图1为本发明车载充电机变流电路的电路原理图；

图2为本发明实施例1的车载充电机变流电路的电路原理图；

图3为本发明实施例2的车载充电机变流电路的电路原理图；

图4为本发明实施例3的车载充电机变流电路的电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明车载充电机变流电路，由交流电源s101、电感l101～l102、电容c101～c103、电力电子开关t101～t103、电池load101连接组成。本发明的电力电子开关t101～t103采用绝缘栅双极性晶体管(igbt)。

该交流电源s101通过接地端接地，通过非接地端串接该电感l101并通过该电感l101连接电力电子开关t101的集电极，该电力电子开关t101的发射极连接该电力电子开关t102的集电极；该电力电子开关t102的发射极连接该电力电子开关t103的集电极，该电力电子开关t103的发射极连接该电感l102一端；该电感l102另一端连接该电池load101的正极，该电池load101的负极与该交流电源s101的接地端相连。

该电容c101一端连接该电力电子开关t101的集电极，另一端连接于该电力电子开关t102的发射极与电力电子开关t103的集电极的连接点；该电容c102一端连接于该交流电源s101的接地端，该电容c102的另一端连接于该电力电子开关t101的发射极与电力电子开关t102的集电极的连接点；该电容c103一端连接于该交流电源s101的接地端，该电容c103的另一端连接于该电力电子开关t103的发射极与电感l102的连接点。

该电力电子开关t101～t103的栅极均为控制信号接入端。

本发明的工作原理：

本发明车载充电机变流电路中具有t101、t102、t103三个电力电子开关，电力电子开关t101～t103通过控制信号分别控制其导通和关断，通过控制电力电子开关t101～t103的通断，使本发明车载充电机变流电路在工作过程中在不同的电路拓扑结构中来回切换，在切换过程中，电感l101～l102上的电流和电容c101～c103上的电压保持连续性，通过不同电路拓扑结构的工作特性的组合来实现变流电路的预期目标。

本发明的开关时态：

当交流电源s101电压为正半波时，给电力电子开关t101开通信号，给电力电子开关t102关断信号，给电力电子开关t103开通信号；当给电力电子开关t101开通信号时，交流电源s101电压高于电容c102电压，电力电子开关t101导通，交流电源s101给电容c102充电；给电力电子开关t103开通信号，电容c101通过电力电子开关t103给电容c103充电，由于电容c102的电源端的电压逐渐升高，电容c102逐渐对电容c103充电；当交流电源s101正半波结束，进行开关控制切换；当交流电源s101电压为负半波时，给电力电子开关t101关断信号，给电力电子开关t102开通信号，给电力电子开关t103关断信号；当给电力电子开关t102开通信号时，电容c102的电源端的电压逐渐升高，电容c101的电源端的电压逐渐降低，电容c102逐渐向电容c101充电；当交流电源s101电压负半波结束时，进行开关状态切换；在交流电源s101电压的下一个周期，重复上述控制，使电路能够周而复始地工作。

本发明的调制方法：

本发明车载充电机变流电路本身具有限流特性，也具有lc负载的性质，从电源端看，具有良好的正弦性，电压电流的波形不需要调制就能很好地工作。

本发明的控制方式：

整周期控制，为了调节输出电压大小，需要控制输出电压；为了控制输出电压，进行整周期控制，就是当输出电压升高的时候，整周期地关断电力电子开关t101、t102、t103，当输出电压降低的时候，如在“开关时态”中控制电力电子开关t101、t102、t103的通断。

本发明车载充电机变流电路的输出电压的频率为工频50hz，由于电力电子开关t101～t103可以工作在自然开关状态，因此本发明车载充电机变流电路除了主频率外，不会产生大量的其它谐波分量；同时，由于电容c103的存在，本发明车载充电机变流电路的高频部分可被旁路掉，不会进入蓄电池。

其中，现有给蓄电池充电的技术特性曲线很多，频率较低的脉冲充电只是其中一种，还有另外一种充电曲线即在直流电流上叠加正弦电流，以减小蓄电池的充电阻抗，而本发明车载充电机变流电路的脉冲电流实际上是半正弦波。在没有电感的情况下，蓄电池的充电电流呈脉冲式；且蓄电池的充电方式有几种，有恒压充电，有恒流充电，也有涓流充电，还有脉冲充电，而且业界还认为脉冲充电对蓄电池电极材料的活化有好处，能延长蓄电池的使用寿命，且有一点可以确定，蓄电池充电对电流的纹波没有限制。

本发明车载充电机变流电路高频谐波含量低，本身对外产生的电磁干扰相对很小；本发明车载充电机变流电路是使用带有屏蔽材料的外壳来实现电磁屏蔽，能够满足车载电气设备emi要求，还不会增加本发明车载充电机变流电路的体积。

下面结合以下具体实施例对本发明做进一步描述：

实施例1

如图2所示，本发明实施例1的车载充电机变流电路，以电力电子开关采用绝缘栅双极型晶体管的一种实施方案，其由交流电源s201、电感l201～l202、电容c201～c203、绝缘栅双极型晶体管t201～t203、电池load201、电压测量单元m201～m204及电流测量单元m205连接组成。

该交流电源s201的非接地端串接电感l201并通过电感l201连接绝缘栅双极型晶体管t201的集电极。

该绝缘栅双极型晶体管t201的发射极连接绝缘栅双极型晶体管t202的集电极，该绝缘栅双极型晶体管t202的发射极连接绝缘栅双极型晶体管t203的集电极，该绝缘栅双极型晶体管t203的发射极连接电感l202一端，该电感l202另一端连接电流测量单元m205一端，该电流测量单元m205另一端连接电池load201正极端，该电池load201负极端与交流电源s201的接地端相连；该绝缘栅双极型晶体管t201的栅极为控制信号接入端，该绝缘栅双极型晶体管t202的栅极为控制信号接入端，该绝缘栅双极型晶体管t203的栅极为控制信号接入端。

该电容c201一端连接绝缘栅双极型晶体管t201的集电极，另一端连接于绝缘栅双极型晶体管t202的发射极与绝缘栅双极型晶体管t203的集电极的连接点；该电容c202一端连接于该交流电源s201的接地端，该电容c202的另一端连接于绝缘栅双极型晶体管t201的发射极与绝缘栅双极型晶体管t202的集电极的连接点；该电容c203一端连接于该交流电源s201的接地端，该电容c203的另一端连接于该绝缘栅双极型晶体管t203的发射极与电感l202的连接点。

该电压测量单元m201并联于该交流电源s201和电感l201的串联体两端，用于测量交流电源s201的电压。

该电压测量单元m202并联于该电容c202的两端，用于测量电容c202的电压。

该电压测量单元m203并联于该电容c201的两端，用于测量电容c201的电压。

该电压测量单元m204并联于该电容c203的两端，用于测量电容c203的电压。

该电感l201的作用是集减小谐波、防止交流电源s201向电容c201充电时产生涌流、矫正功率因数三个功能于一体；该电感l202的作用是减小直流电压和直流电流输出纹波。

实施例2

如图3所示，本发明实施例2的车载充电机变流电路，以电力电子开关采用晶闸管的一种实施方案，其由交流电源s301、电感l301～l302、电容c301～c303、晶闸管t301～t303、电池load301、电压测量单元m301～m304及电流测量单元m305连接组成。

该交流电源s301的接地端接地，非接地端串接电感l301并通过电感l301连接晶闸管t301的阳极。

该晶闸管t301的阴极连接晶闸管t302的阳极，该晶闸管t302的阴极连接晶闸管t303的阳极，该晶闸管t303的阴极连接电感l302一端，该电感l302另一端连接电流测量单元m305一端，该电流测量单元m305另一端连接电池load301正极端，该电池load301负极端与交流电源s301的接地端相连；该晶闸管t301的门极为控制信号接入端，该晶闸管t302的门极为控制信号接入端，该晶闸管t303的门极为控制信号接入端。

该电容c301一端连接晶闸管t301的阳极，另一端连接于晶闸管t302的阴极与晶闸管t303的阳极的连接点；该电容c302一端连接于该交流电源s301的接地端，该电容c302的另一端连接于晶闸管t301的阴极与晶闸管t302的阳极的连接点；该电容c303一端连接于该交流电源s301的接地端，该电容c303的另一端连接于该晶闸管t303的阴极与电感l302的连接点。

该电压测量单元m301并联于该晶闸管t301的两端，用于测量晶闸管t301阳极和阴极间的电压。

该电压测量单元m302并联于该晶闸管t302的两端，用于测量晶闸管t302阳极和阴极间的电压。

该电压测量单元m303并联于该晶闸管t303的两端，用于测量晶闸管t303阳极和阴极间的电压。

该电感l301与电感l302的作用与实施例1中的电感l201～l202相同。

实施例3

如图4所示，本发明实施例3的车载充电机变流电路，以电力电子开关采用晶闸管和二极管的一种实施方案，由交流电源s401、电感l401～l402、电容c401～c403、晶闸管t401～t402、二极管d401、电池load401、电压测量单元m401～m403及电流测量单元m404连接组成。

该交流电源s401的非接地端串接电感l401并通过电感l401连接晶闸管t401的阳极。

该晶闸管t401的阴极连接二极管d401的阳极，该二极管d401的阴极连接晶闸管t402的阳极，该晶闸管t402的阴极连接电感l402一端，该电感l402另一端连接电流测量单元m404一端，该电流测量单元m404另一端连接电池load401正极端，该电池load401负极端与交流电源s401的接地端相连；该晶闸管t401的门极为控制信号接入端，该晶闸管t402的门极为控制信号接入端。

该电容c401一端连接晶闸管t401的阳极，另一端连接于二极管d401的阴极与晶闸管t402的阳极的连接点；该电容c402一端连接于该交流电源s301的接地端，该电容c402的另一端连接于晶闸管t401的阴极与二极管d401的阳极的连接点；该电容c403一端连接于该交流电源s301的接地端，该电容c403的另一端连接于该晶闸管t402的阴极与电感l402的连接点。

该电压测量单元m401并联于该晶闸管t401的两端，用于测量晶闸管t401阳极和阴极间的电压。

该电压测量单元m402并联于该晶闸管t402的两端，用于测量晶闸管t402阳极和阴极间的电压。

该电压测量单元m403并联于该电容c401的两端，用于测量电容c401的电压。

该电感l401与l402的作用与实施例1中的电感l201～l202相同。

本发明使用电力电子开关与电容合理连接，降低开关的频率和减小电感的用量，从而减小系统的整体损耗并能缩小整机体积，提高了车载充电机的效率，使车载充电机更符合小型轻量化要求，和同类产品相比，具有极强的市场竞争力。