充电机模块及电路的制作方法

本发明属于充电机技术领域，尤其涉及一种充电机模块及电路。

背景技术：

充电机是轨道交通车辆辅助系统必不可少的关键部件，为列车低压直流负载提供稳定的直流电源，同时按蓄电池特性对蓄电池进行充电。现有轨道交通用充电机模块多采用强迫风冷、走行风冷的冷却方式，而强迫风冷的冷却方式风机故障率较高，走行风冷的冷却方式易受外界环境影响而导致系统稳定性差；少部分采用水冷方式，但水冷方式需配套水冷系统，水冷系统难维护及维护成本高。同时，现有的充电机模块往往集成度较低，各部分结构分开安装设计，导致充电机模块体积大，重量大，生产周期长，后期现场维护不方便等问题。且各元件使用铜排或电缆连接，布线复杂，杂散电容等参数难控制，导致故障率高，性能不稳定；电路优化不到位导致电气性能低，损耗较大，转化效率比较低等。

因此，如何设计一个独立的、高集成化的充电机模块成为充电机设计的重点和难点。

技术实现要素：

本发明针对现有充电机存在的不足进行改进，提供了一种充电机模块及电路，主电路包括输入滤波、预充电、调压、llc谐振以及输出整流滤波等部分，功率模块采用集成化、系统化设计，相应划分为自冷散热器组件、主体框架、预充电组件、emi组件、控制器组件等多个独立的部分，结构设计简单，便于安装操作与维修。

为了实现上述目的，本发明提供了一种充电机电路，由输入端至输出端包括依次连接的预充电电路、输入滤波电路、一级调压电路、llc谐振回路以及不控整流输出滤波电路；输入初级高压直流电经过预充电电路与输入滤波电路预充电、滤波，然后通过一级调压电路初次降压，再经过llc谐振回路变换为交流方波电压，通过不控整流输出滤波电路将交流方波电压整流滤波输出为可调直流电压；

所述一级调压电路包括半桥均压电路与双buck三电平斩波电路，所述半桥均压电路输入端、输出端分别连接输入滤波电路输出端与双buck三电平斩波电路输入端，所述双buck三电平斩波电路包括两个并联的buck斩波电路；

所述llc谐振回路包括h桥逆变电路与变压器，所述h桥逆变电路输入端、输出端分别连接双buck三电平斩波电路输出端与变压器原边侧；

所述不控整流输出滤波电路包括半桥整流电路、rc缓冲电路以及emi单元；所述半桥整流电路输入端、输出端分别连接变压器副边侧与rc缓冲电路输入端；所述rc缓冲电路输出端连接至emi单元输入端。

优选的，预充电电阻r1、预充电接触器km2以及主接触器km1组成预充电电路，预充电电阻r1与预充电接触器km2串联后，与主接触器km1并联；

滤波电抗器l1、放电电阻r2以及支撑电容fc1组成输入滤波电路，实现输入滤波；滤波电抗器l1与主接触器km1连接后串接入直流输入端“+”极端，放电电阻r2与支撑电容fc1并联至直流输入端“+”“-”极端。

优选的，均压电阻r3、r4及均压电容c1、c2组成半桥均压电路，均压电阻r3、r4串联后的中点连接均压电容c1、c2串联后的中点，半桥均压电路并联于输入滤波电路输出侧，实现输入均压；

晶体管q1、续流二极管d1、以及续流电抗器l2组成第一buck斩波电路，晶体管q1的集电极连接均压电容c1正极端，发射极连接续流二极管d1阴极与续流电抗器l2；晶体管q2、续流二极管d2、以及续流电抗器l2组成第二buck斩波电路，晶体管q2的发射极连接均压电容c2负极端，集电极连接续流二极管d2阳极；均压电容c1、c2串联后的中点连接续流二极管d1、d2串联后的中点；所述第一buck斩波电路与所述第二buck斩波电路并联后组成双buck三电平斩波电路，将恒定的输入初级高压直流电降压为可调次级高压直流电。

优选的，支撑电容fc2、电阻r5、h桥逆变电路、隔直电容cr、谐振电感lr与lm，以及变压器tm组成llc谐振回路；支撑电容fc2、电阻r5、h桥逆变电路并联至双buck三电平斩波电路输出侧；

支撑电容fc2、电阻r5并联至h桥逆变电路直流输入端，支撑电容fc2正极端连接至续流电抗器l2输出端，支撑电容fc2、电阻r5与续流电抗器l2组成滤波电路，对buck输出电压进行滤波整流；

h桥逆变电路超前臂q3的中性点与滞后臂q4的中性点之间串联有隔直电容cr、谐振电感lr以及谐振电感lm，谐振电感lm两端分别连接变压器tm原边绕组两个输入端。

优选的，整流二极管d3、d4组成半桥整流电路，整流二极管d3阳极与整流二极管d4阳极分别连接至变压器tm副边绕组的相对端；

电容c3、c4、c5、c6以及电阻r6、r7、r8、r9并联组成rc缓冲电路，连接至emi单元输入侧；整流二极管d3阴极分别与整流二极管d4阴极以及电容c3正极端连接，电容c3负极端连接至变压器tm副边绕组的中心抽头；

llc谐振回路输出的交流方波电压经过半桥整流电路与rc缓冲电路整流滤波为直流电压，经过emi单元滤波稳压后输出可调直流电压。

本发明还提供了一种充电机模块，主电路采用所述的充电机电路，所述充电机模块包括自冷散热器组件、预充电组件、一级调压组件、llc谐振组件、不控整流组件、emi组件、控制器组件以及主体框架；所述一级调压组件、llc谐振组件、不控整流组件分别根据一级调压电路、llc谐振回路，以及半桥整流电路与rc缓冲电路依次分区布置于所述自冷散热器组件上；所述预充电组件根据预充电电路与输入滤波电路安装于主体框架上；所述自冷散热器组件、所述emi组件、以及所述控制器组件平行设置于所述主体框架上，与所述预充电组件形成箱体结构。

优选的，所述主体框架包括底部框架、平行设置且均与所述底部框架连接的前端框架与后端框架、以及连接所述前端框架与后端框架的顶部横梁；所述顶部横梁与所述前端框架、后端框架的两安装端点分别位于远离前端框架上横梁的两端点与后端框架上横梁的两端点的位置处；所述预充电组件安装于所述底部框架上，所述自冷散热器组件安装于所述前端框架与后端框架的同侧纵梁上；所述emi组件安装于所述顶部横梁与所述底部框架上；所述控制器组件安装于所述前端框架与后端框架的另外一侧纵梁上。

优选的，所述支撑电容fc2通过复合母排与h桥逆变电路的超前臂q3以及滞后臂q4连接；所述隔直电容cr包括铜排、多个小容量电容、绝缘安装板以及绝缘底板；所述铜排包括并联对称设置的两个铜排，多个小容量电容安装于两个铜排之间，通过所述铜排并联连接；所述绝缘安装板安装于所述绝缘底板上，所述铜排安装于所述绝缘安装板上。

优选的，所述不控整流组件包括rc缓冲模块；所述rc缓冲模块还包括电容安装板、电容安装底板、并联铜排；电容c3、c4、c5、c6与电阻r6、r7、r8、r9通过并联铜排连接，各电阻安装在所述并联铜排上；各电容底部安装于所述电容安装底板上，两侧安装于所述电容安装板上。

优选的，整流二极管d3、d4，以及所述rc缓冲模块通过三层复合母排与变压器tm副边侧连接；所述三层复合母排为l型复合母排，包括第一层接线端子x1、x8，第二层接线端子x2、x3、x5、x6、x7，以及第三层接线端子x4、x9；其中，x1与x8短接，x2、x3以及x5短接，x4与x9短接；x1、x2分别连接所述rc缓冲模块的正负极，x3、x4分别连接整流二极管d3的正负极，x5、x6分别连接整流二极管d4的正负极，x7、x8、x9分别连接变压器tm的副边侧。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明提供了一种充电机模块及电路，主电路包括预充电电路、输入滤波电路、一级调压电路、llc谐振回路、不控整流输出滤波电路。输入高压直流电经过预充电电路、输入滤波电路的预充电与输入滤波后，通过一级调压电路降压、llc谐振回路转换为交流方波电压，交流方波电压经过不控整流输出滤波电路的整流滤波输出为所需的直流电源电压。

充电机模块包括自冷散热器组件、预充电组件、一级调压组件、llc谐振组件、不控整流组件、emi组件、控制器组件以及主体框架；一级调压组件、llc谐振组件、不控整流组件分区布置于自冷散热器组件上，预充电组件、emi组件与控制器组件安装于主体框架上。充电机模块采用集成化设计，划分为自冷散热器组件、主体框架、预充电组件、emi组件、控制器组件五个独立的部分，集成度高，便于安装与维护，适合流水线作业，极大的缩短生产周期。各电气元件合理设计布置，主电路全部连线采用铜排或复合母排进行连接，具有安装快速、可重复电气性能、低阻抗、抗干扰、可靠性好、节省空间等优点。

附图说明

图1为本发明的充电机主电路原理图；

图2为充电机模块的分解爆炸图；

图3为自冷散热器组件分区布置图；

图4为充电机模块的整体结构图；

图5为隔直电容cr的结构图；

图6为rc缓冲组件结构图；

图7为三层复合母排结构示意图；

其中，1-自冷散热器组件、11-密封条；2-预充电组件；3-一级调压组件；4-llc谐振组件、41-隔直电容cr、411-铜排、412-小容量电容、413-绝缘安装板、414-绝缘底板；5-不控整流组件、51-rc缓冲模块、511-电容安装板、512-电容安装底板、513-并联铜排、514-电容(c3、c4、c5、c6)、515-电阻(r6、r7、r8、r9)；6-emi组件；7-控制器组件；8-主体框架、81-底部框架、82-前端框架、83-后端框架、84-顶部横梁。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本申请部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

参考图1所示，图1提供了一种充电机电路，由输入端至输出端包括依次连接的预充电电路、输入滤波电路、一级调压电路、llc谐振回路以及不控整流输出滤波电路。其中，一级调压电路包括半桥均压电路与双buck三电平斩波电路，半桥均压电路输入端、输出端分别连接输入滤波电路输出端与双buck三电平斩波电路输入端，双buck三电平斩波电路包括两个并联的buck斩波电路；llc谐振回路包括h桥逆变电路与变压器，h桥逆变电路输入端、输出端分别连接双buck三电平斩波电路输出端与变压器原边侧；不控整流输出滤波电路包括半桥整流电路、rc缓冲电路以及emi单元，半桥整流电路输入端、输出端分别连接变压器副边侧与rc缓冲电路输入端，rc缓冲电路输出端连接至emi单元输入端。输入750v高压直流电经过预充电电路与输入滤波电路预充电、滤波，然后通过一级调压电路降为500v，再经过llc谐振回路变换为110v交流方波电压，通过不控整流输出滤波电路将110v交流方波电压整流滤波输出为110v直流电压。

各部分电路具体设计参考图1所示，对于预充电电路与输入滤波电路，其中：预充电电阻r1、预充电接触器km2以及主接触器km1组成预充电电路，预充电电阻r1与预充电接触器km2串联后，与主接触器km1并联。滤波电抗器l1、放电电阻r2以及支撑电容fc1组成rlc输入滤波电路，滤除直流输入电压谐波，稳定输入电压。滤波电抗器l1与主接触器km1连接后串接入直流输入端“+”极端，放电电阻r2与支撑电容fc1并联至直流输入端“+”“-”极端。直流750v输入电压上电后，先闭合预充电接触器km2，通过预充电电阻r1对支撑电容fc1进行限流充电，当检测到支撑电容fc1两端的电压与直流输入750v电压之间的压差小于50v后，控制主接触器km1闭合，断开预充电接触器km2，通过预充电电阻r1的限流充电，减少充电电流对支撑电容fc1的冲击，延长使用寿命。

对于一级调压电路，其包括前端的均压电路与后端的斩波电路，其中：均压电阻r3、r4及均压电容c1、c2组成半桥均压电路，均压电阻r3、r4串联后的中点连接均压电容c1、c2串联后的中点，半桥均压电路并联于rlc输入滤波电路输出侧，将滤波后的750v直流输入电压均压。

晶体管q1、续流二极管d1、以及续流电抗器l2组成第一buck斩波电路，晶体管q1的集电极连接均压电容c1正极端，发射极连接续流二极管d1阴极与续流电抗器l2；晶体管q2、续流二极管d2、以及续流电抗器l2组成第二buck斩波电路，晶体管q2的发射极连接均压电容c2负极端，集电极连接续流二极管d2阳极；均压电容c1、c2串联后的中点连接续流二极管d1、d2串联后的中点；第一buck斩波电路与第二buck斩波电路并联后组成双buck三电平斩波电路，实现三电平控制，将恒定的输入初级高压直流电降压为可调次级高压直流电。当晶体管q1导通时，直流电uac经晶体管q1、续流电抗器l2、支撑电容r5、电源地后加载在负载电阻r5两端，晶体管q2、续流二极管d1、d2均关断；当晶体管q2导通时，直流电源ubc经晶体管q2、续流二极管d1、d2、续流电抗器l2、支撑电容fc2、电源地后加载在负载电阻r5两端，晶体管q1关断。当晶体管q1、q2均导通时，直流电uab经晶体管q1、续流电抗器l2、支撑电容r5、电源地加载在负载电阻r5两端，直流电源ubc经晶体管q2、续流二极管d1、d2、续流电抗器l2、支撑电容fc2、电源地后加载在负载电阻r5两端。本实施例的双buck三电平斩波电路可同时控制正端电压、负端电压，正向电流和负向电流，有效地对系统进行电压和电流保护，第一buck斩波电路和第二buck斩波电路共用同一个续流电抗器l2，电路结构简单、成本低。

对于llc谐振回路，支撑电容fc2、电阻r5、h桥逆变电路、隔直电容cr、谐振电感lr与lm，以及变压器tm组成llc谐振回路，将输入buck电压转换为交流方波电压。其中，支撑电容fc2、电阻r5、h桥逆变电路并联至双buck三电平斩波电路输出侧，支撑电容fc2、电阻r5并联至h桥逆变电路直流输入端，支撑电容fc2正极端连接至续流电抗器l2输出端，支撑电容fc2、电阻r5与续流电抗器l2组成滤波电路，对buck输出电压进行滤波整流。h桥逆变电路超前臂q3的中性点与滞后臂q4的中性点之间串联有隔直电容cr、谐振电感lr以及谐振电感lm，谐振电感lm两端分别连接变压器tm原边绕组两个输入端。llc谐振回路中采用单谐振电容cr，谐振频率为考虑尽可能提高效率，实际设计中将工作频率f设定在lr和cr构成的较高的谐振频率f1，此时，变压器漏电感lm被输出电压钳位，作为lr,cr串联谐振腔的负载形式存在，而不参与整个谐振过程。当输入电压下降时，可以通过降低工作频率获得较大的增益，通过选择合适的谐振参数，使llc谐振变换在负载变化或输入电压变化时都能工作在零电压工作区，实现igbt零电压开通。

对于不控整流输出滤波电路，包括半桥整流电路、rc缓冲电路以及emi单元，其中：整流二极管d3、d4组成半桥整流电路，整流二极管d3阳极与整流二极管d4阳极分别连接至变压器tm副边绕组的相对端；电容c3、c4、c5、c6以及电阻r6、r7、r8、r9并联组成rc缓冲电路，连接至emi单元输入侧；整流二极管d3阴极分别与整流二极管d4阴极以及电容c3正极端连接，电容c3负极端连接至变压器tm副边绕组的中心抽头。llc谐振回路输出的110v交流方波电压经过半桥整流电路与rc缓冲电路整流滤波为直流电压，经过emi单元滤波稳压后输出110v直流电压，为列车提供dc110v电源。本实施例的主电路的拓扑结构可拓展到dc24v等其他变换的电源电路中。

根据上述实施例提供的充电机电路，本发明还相应提供了充电机模块，参考图2、图3、图4所示，主电路采用上述实施例提供的充电机电路，功率模块包括自冷散热器组件1、预充电组件2、一级调压组件3、llc谐振组件4、不控整流组件5、emi组件6、控制器组件7以及主体框架8。其中，emi组件6包括滤波器、三层复合母排等元器件，控制器组件7包括控制器、接线端子排、过压保护二极管等元器件。一级调压组件3、llc谐振组件4与不控整流组件5分区布置在自冷散热器组件1上，预充电组件2、emi组件6以及控制器组件7安装于主体框架8上，集成有一级调压组件3、llc谐振组件4与不控整流组件5的自冷散热器组件1安装在主体框架8上，形成箱体结构。本实施例的充电机模块高度集成了输入滤波单元、预充电单元、一级调压单元、llc谐振单元、不控整流单元、输出滤波单元、控制器单元七大功能，合理划分为冷散热器组件、主体框架、预充电组件、emi组件、控制器组件五个独立结构，集成度高，便于安装与维护，适合流水线作业，极大的缩短生产周期。

进一步参考图2、图4所示，本实施例中主体框架8采用方管梁框架，其包括底部框架81、平行设置且均与底部框架81连接的前端框架82与后端框架83、以及连接前端框架82与后端框架83的顶部横梁84。其中，顶部横梁84与前端框架82、后端框架83的两安装端点分别位于远离前端框架上横梁的两端点与后端框架上横梁的两端点的位置处，即主体框架8的顶部横梁84安装在前端框架82与后端框架83的上横梁的中间位置，而非两端点处。本实施例中底部框架81、前端框架82、后端框架83、以及顶部横梁84形成了稳固的主体框架结构，将预充电组件2的各元件根据预充电电路通过母排安装在绝缘的底板上，并将底板安装在底部框架81上；将一级调压组件3、llc谐振组件4与不控整流组件5根据其各电路特性分区安装在自冷散热器组件1上，然后将自冷散热器组件1通过螺栓与垫片安装于前端框架82与后端框架83的同侧纵梁上；将emi组件6上下两端安装于顶部横梁84与底部框架81上，将控制器组件7安装于前端框架82与后端框架83的另外一侧纵梁上。因此，控制器组件7、emi组件6以及自冷散热器组件1自上而下分层且平行安装在主体框架8上，一级调压组件3、llc谐振组件4与不控整流组件5分区安装在自冷散热器组件1上，位于自冷散热器组件1与emi组件6之间。本实施例中通过合理设计主体框架8的结构，将冷散热器组件1、预充电组件2、emi组件6、控制器组件7分区安装在主体框架8上，便于各组件的安装与维护。

进一步参考图3所示，一级调压组件3根据一级调压电路设计，包括均压电阻r3、r4，均压电容c1、c2；llc谐振组件4根据llc谐振回路设计，包括支撑电容fc2、电阻r5、h桥逆变电路、隔直电容cr、谐振电感lr、lm，以及变压器tm；不控整流组件5根据半桥整流电路与rc缓冲电路设计，包括整流二极管d3、d4，电容c3、c4、c5、c6以及电阻r6、r7、r8、r9等；一级调压组件3、llc谐振组件4与不控整流组件5等发热元件依次分区布置在自冷散热器组件1上。本实施例采用自冷散热器，在满足散热性能的前提下，相对于走行风冷、强迫风冷以及水冷散热器具有结构简单，系统稳定性高，受环境影响小等优点。一级调压组件3、llc谐振组件4与不控整流组件5等发热元件合理设计并布置于自冷散热器上，极大降低了系统故障率。同时，自冷散热器组件1上嵌入圆柱形epdm密封条11，加强了充电机模块的密封、防尘防水效果。

本实施例中的充电机模块中各电气元件合理设计布置，主电路全部连线采用铜排或复合母排进行连接，实现无线缆连接。具体设计为：

支撑电容fc2通过复合母排与h桥逆变电路的超前臂q3以及滞后臂q4连接。对于隔直电容(cr)41，参考图5所示，其包括铜排411、多个小容量电容412、绝缘安装板413以及绝缘底板414。铜排411设置为并联铜排，包括并联对称设置的两个铜排，多个小容量电容412通过螺栓与垫片安装于铜排411上，通过铜排并联连接；绝缘安装板413安装于绝缘底板414上，铜排411安装于绝缘安装板413上。铜排411、多个小容量电容412、绝缘安装板413以及绝缘底板414集成为一体组成llc谐振组件的隔直电容(cr)41，大容量隔直电容(cr)由多个小电容并联而成，采用多电容并联方式替代大容量隔直电容，降低了杂散电感，提高空间利用率和稳定性，降低了成本，可靠性高。

参考图6所示，不控整流组件5包括rc缓冲模块51，rc缓冲模块51根据rc缓冲电路设计，rc缓冲模块51其包括电容安装板511、电容安装底板512、并联铜排513、以及电容(c3、c4、c5、c6)514与电阻(r6、r7、r8、r9)515。其中，电容(c3、c4、c5、c6)514与电阻(r6、r7、r8、r9)515通过并联铜排513连接，电阻(r6、r7、r8、r9)515通过螺栓与垫片安装在并联铜排513上，电容(c3、c4、c5、c6)514底部通过螺栓与垫片安装于电容安装底板512上，两侧通过螺栓与垫片安装于电容安装板511上。

本实施例中不控整流组件5的整流二极管d3、d4、与rc缓冲模块51均通过三层复合母排与变压器tm副边侧连接。其中，三层复合母排为l型复合母排，参考图7所示，其包括第一层接线端子x1、x8，第二层接线端子x2、x3、x5、x6、x7，以及第三层接线端子x4、x9；其中，x1与x8短接，x2、x3以及x5短接，x4与x9短接；x1、x2分别连接rc缓冲模块的正负极，x3、x4分别连接整流二极管d3的正负极，x5、x6分别连接整流二极管d4的正负极，x7、x8、x9分别连接变压器tm的副边侧。

因此，与传统的充电机模块相比，本发明提供的充电机模块采用高集成度设计，整体模块合理划分为自冷散热器组件、主体框架、预充电组件、emi组件、控制器组件五个单独的部分，适合流水线作业，极大的缩短生产周期。同时，各电气元件合理设计布置，主电路全部连线采用铜排或复合母排(二层、三层)进行连接，实现无线缆连接，具有安装快速、结构清晰、可重复电气性能、低阻抗、抗干扰、可靠性好、节省空间、装配简洁快捷等优点，较传统充电机减少体积20％左右。同时，模块采用轻量化设计，自冷散热器、所有安装板及主体框架都为铝合金材质，极大的降低了整机的重量。