CN112713768B - 一种高度集成充放电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机车、动车上动力蓄电池充放电装置，具体为高度集成充电机装置。解决现有充电机装置体积大、重量大、成本高、部件之间电气间隙不够、布线困难等问题。高度集成充电机装置包括柜体和主电路；主电路包括三电平双向DC/DC变换电路，三电平双向DC/DC变换电路由相互串接的IGBT1和IGBT2构成；三电平双向DC/DC变换电路、电阻R1、电阻R2、吸收电容C3、吸收电容C4集成为功率模块，支撑电容C1、支撑电容C2、滤波电容C5集成为集成电容器，直流滤波电抗器DCL1、直流滤波电抗器DCL2、直流滤波电抗器DCL3集成为集成电抗器，直流滤波器EMI1、直流滤波器EMI2集成为直流滤波器EMI组件。

Description

一种高度集成充放电装置
技术领域
本发明涉及机车、动车上动力蓄电池充放电装置应用领域，具体为一种高度集成充放电装置。
背景技术
充电机是为动力蓄电池充放电的电能变换装置，在机车、动车上普遍应用。现有充电机装置采用两电平DC/DC主电路拓扑，由于中间母线电压等级较高，需要选用电压等级较高的IGBT器件，受工作电压限制，充电装置的开关频率较低，充电机装置应用于动车、机车时，由于车辆内部除了变流器，还安装有冷却***、控制***、牵引电机以及动力蓄电池等较大体积部件，可利用的空间非常有限。而充电装置内部器件很多，预留空间较小，造成空间拥挤、电气间隙不够、布线困难等诸多问题。
现有充电装置用电容器通常是功能单一的独立电器，要么是用于吸收主电路杂散电感的吸收电容，要么是用于滤除主电路谐波的滤波电容，要么是用于维持直流母线电压平稳的支撑电容，不同功能的电容器单一布置，占用空间大，不符合小型化、轻量化需求。为了保证电容器能够安装在空间有限的充电装置内部，要么压缩电容器体积，要么压缩其它器件体积。压缩电容器体积，需要降低电容器技术参数要求，造成电容器耐受电压降低，不但无法满足主电路需求，还会使电容器安全性和可靠性降低，进而缩短电容器使用寿命。压缩其它器件体积，造成其它器件性能降低，从而降低充电机装置性能。
现有充电装置用直流滤波电抗器通常是功能单一的独立电器，要么是用来过滤直流母线中交流分量，要么用于过滤高频次的谐波，不同功能的电抗器在主电路不同部位单一布置，占用空间大，不符合小型化、轻量化需求。为了保证多个电抗器能够安装在空间有限的充电装置内部，要么压缩电抗器体积，要么压缩其它器件体积。压缩电抗器体积，需要降低电抗器技术参数要求，造成电抗器电压降低，电流变小，不但无法满足主电路需求，还会使电抗器安全性和可靠性降低，进而缩短电抗器使用寿命。压缩其它器件体积，造成其它器件性能降低，从而降低充电机装置性能。
EMI滤波器、电抗器、支撑电容、滤波电容等主要器件根据其在主电路中的功能，往往根据电流的流向依次布置，并通过多种铜排或线缆依次连接，布线结构繁杂。数量较多的器件独立布置，占用空间大。铜排或线缆数量较多，产生的电磁环境复杂，相互干扰，电磁兼容效果差。产生较大杂散电感，影响充电装置电能质量，降低充电装置工作可靠性，降低器件寿命。
为了解决充电装置内部器件多、空间小、布线繁杂的问题，设计一种高度集成充放电装置。该发明的创造性主要体现在充电装置内部的多种器件高度集成化，电气布线结构的模块化。该方案节省空间，方便拆装维护，减轻重量，降低成本。既满足充电装置电磁屏蔽区的电磁兼容要求，又满足用户轻量化、低成本要求。
发明内容
本发明解决现有充放电装置内部器件数量多、占据空间大、布线繁杂、拆装维护耗时长等问题，提供一种高度集成充放电装置。
本发明是采用如下技术方案实现的：一种高度集成充放电装置，包括柜体和主电路。
主电路包括三电平双向DC/DC变换电路，三电平双向DC/DC变换电路由相互串接的IGBT1和IGBT2构成，IGBT1和IGBT2均为双管IGBT，即IGBT1由上桥臂T1H和下桥臂T1B构成，IGBT2由上桥臂T2H和下桥臂T2B构成，IGBT1和IGBT2之间的连接节点为零电位的变换电路中间输入端，IGBT1的非串接端为变换电路输入正端，IGBT2的非串接端为变换电路输入负端， IGBT1的上桥臂T1H和下桥臂T1B之间的连接节点为变换电路输出正端，IGBT2的上桥臂T2H和下桥臂T2B之间的连接节点为变换电路输出负端；
主电路的输入正端与直流滤波器EMI1的输入正端连接，直流滤波器EMI1的输出正端与直流滤波电抗器DCL1的输入正端连接，直流滤波电抗器DCL1的输出正端与变换电路输入正端连接；主电路的输入负端与直流滤波器EMI1的输入负端连接，直流滤波器EMI1的输出负端与变换电路输入负端连接；变换电路输入正端与变换电路输入中间端之间分别并联支撑电容C1、均压慢放电阻R1、吸收电容C3，变换电路输入中间端与变换电路输入负端之间分别并联支撑电容C2、均压慢放电阻R2、吸收电容C4；变换电路输出正端与直流滤波电抗器DCL2的输入正端连接，直流滤波电抗器DCL2的输出正端与直流滤波器EMI2的输入正端连接，变换电路输出负端与直流滤波电抗器DCL3的输入负端连接，直流滤波电抗器DCL3的输出负端与直流滤波器EMI2的输入负端连接；直流滤波器EMI2的输入正端与直流滤波器EMI2的输入负端之间分别并联滤波电容C5、放电电阻R3；直流滤波器EMI2的输出正端和直流滤波器EMI2的输出负端与蓄电池连接；
三电平双向DC/DC变换电路、均压慢放电阻R1、均压慢放电阻R2、吸收电容C3、吸收电容C4及其控制、冷却与连接部件等集成为功率模块，支撑电容C1、支撑电容C2、滤波电容C5集成为集成电容器，直流滤波电抗器DCL1、直流滤波电抗器DCL2、直流滤波电抗器DCL3集成为集成电抗器，直流滤波器EMI1、直流滤波器EMI2集成为直流滤波器EMI组件。
（1）充电装置应用主电路设计
充电机装置采用三电平工作模式实现双向DC/DC变换功能。双向DC/DC可以实现能量的双向流动，当由充电机装置提供电源时，充电机装置能量自左向右流动，此时充电机装置工作为BUCK电路，可作为降压电源使用，此时将机车直流母线电压变换为可调节的DC1023V-DC1310V充电电压用于动力蓄电池的充电；当由蓄电池提供电源时，充电机装置能量自右向左流动，此时充电机装置工作为BOOST电路，作为升压电源，用于机车动力蓄电池的放电过程，将动力蓄电池存储的电能转换为DC1600V-DC1800V的电压并联到机车直流母线上，供列车牵引及辅助变流器使用。
如图1为三电平双向DC/DC充电机主电路电气原理图。主要电气符号定义如下：
DCL1：直流滤波电抗器；
DCL2：直流滤波电抗器；
DCL3：直流滤波电抗器；
C1：支撑电容；
C2：支撑电容；
C3：吸收电容；
C4：吸收电容；
R1：均压慢放电阻；
R2：均压慢放电阻；
C5：滤波电容；
EMI1：直流滤波器；
EMI2：直流滤波器;
T1H——IGBT1的上桥臂；
T1B——IGBT1的下桥臂；
T2H——IGBT2的上桥臂；
T2B——IGBT2的下桥臂。
图2为充电机装置充电工况1原理图，此时充电机装置能量自左向右流动，为动力蓄电池充电。功率变换器件IGBT的工作路径依次是：机车母线—T1H的IGBT正向导通—动力蓄电池—T2H的二极管反向续流—机车母线。
图3为充电机装置充电工况2原理图，此时充电机装置能量自左向右流动，为动力蓄电池充电。功率变换器件IGBT的工作路径依次是：机车母线—T1B的二极管反向续流—动力蓄电池—T2B的IGBT正向导通—机车母线。
图4为充电机装置放电工况1原理图，此时充电机装置能量自右向左流动，动力蓄电池放电。功率变换器件IGBT的工作路径依次是：动力蓄电池—T1H的二极管反向续流—机车母线—T2H的IGBT正向导通—动力蓄电池。
图5为充电机装置放电工况2原理图，此时充电机装置能量自右向左流动，动力蓄电池放电。功率变换器件IGBT的工作路径依次是：动力蓄电池—T1B的IGBT正向导通—机车母线—T2B的二极管反向续流—动力蓄电池。
双向DC/DC充电装置柜体采用不锈钢柜体结构，由于器件相互之间存在发热、电磁干扰等影响，内部通过钢结构将工作区域分为屏蔽区和非屏蔽区，屏蔽区和非屏蔽区之间的电压谐波及干扰信号传输通过滤波器EMI1和滤波器EMI2进行滤除。三电平双向DC/DC充电装置设计的关键环节在于屏蔽区的器件布局、冷却和电气布线结构设计。优良的器件集成设计与电气布线设计将大大提高产品可靠性。主电路中屏蔽区与非屏蔽区在充电装置变流柜中对应的区域划分见图6.屏蔽区主电路电气原理图见图7，其中数字代号定义见附图说明。
主电路共采用两个IGBT，IGBT1\IGBT2同种规格，均为1700V/1200A双管IGBT。
主电路共采用5个电容器：C1\C2\C3\C4\C5，三种规格，其中C1\C2是1850uF/1300V直流支撑电容，用于稳定直流母线电压；C3\C4是0.47uF/3000V的吸收电容，用于吸收IGBT开关状态时产生的尖峰电压对直流电压造成的干扰；C5是1000uF/1600V直流滤波电容，用于滤除主电路谐波；
主电路共采用3个电抗器：DCL1\DCL2\ DCL3，两种规格，其中DCL1是330A/1mH直流滤波电抗器，用在输入端用来过滤直流母线中交流分量及滤除输入端的电压谐波；DCL2\DCL3是210A/0.5mH的直流滤波电抗器，与直流滤波电容C5一起组成LC低通滤波器，用于过滤高频次的谐波。
主电路共采用四只电阻：R1\R2\R3\R4，两种规格，其中R1\R2\R3选用30kΩ/300W慢放电阻，充电机停机后，在规定时间内将高低两个电平的母线电压降至安全电压DC36V以下，保障人身安全。R1\R2安装在充电机功率模块中起均压慢放作用，保证三电平双向DC/DC变换电路的高低两个电平的电压均衡稳定，并可对支撑电容C1\C2进行放电；R3将滤波电容C5的残留电压在要求的时间内消耗降低至安全电压范围内，防止触电；R4选用22Ω/33kJ预充电电阻，用来承受预充电接触器KM2闭合后在3s内产生的能量冲击，保证中间直流母线正常工作。
主电路采用三个电流传感器：TA1\TA2\TA3，TA1用于检测充电装置输入端直流母线电流，TA2\TA3用于检测充电装置输出端直流母线电流，保证***正常安全工作。
该电路采用三个电压传感器：TV1\TV2\TV3，TV1\TV2用于检测三电平电路输入端高低电平支撑电容两端的直流母线电压，保证两个电平电压均衡稳定；TV3用于检测三电平电路输出端的直流母线电压，保证输出端电压可靠稳定。
熔断器FU6在直流母线输出端发生过电压、过电流状况时进行电路熔断，保证主电路安全稳定。
如图1所示，高度集成的充电装置共有四个电气接口：X1（DC+）/ X2（DC-）/ X3（蓄电池+）/ X4（蓄电池-），X1（DC+）/ X2（DC-）分别为主电路的输入端正、负直流母线接口，X3（蓄电池+）/ X4（蓄电池-）分别为主电路的输出端正、负直流母线接口。
（2）功率单元集成化设计
高度集成的充电机变流柜内部的三电平功率变换单元特别的集成为一个三电平双向DC/DC充电机功率模块，功率模块内部包含的功率器件有同种规格1700V/1200A双管IGBT1\IGBT2和两个均压慢放电阻R1\R2，还有两个吸收电容C3\C4，以上电气部件通过三电平结构的功率模块复合母排进行高压电气连接。充电机功率模块构成三电平双向DC/DC变换功能的核心功率变换单元，其主电路电气原理图见图8。
（3）电容器集成化设计
支撑电容C1\C2和滤波电容C5安装在充电机变流柜中，若分开单独设计，有两种设计方法：一种是两个两电平支撑电容器和一个两电平滤波电容器，另一种是一个集成化的三电平支撑电容器和一个两电平滤波电容器，无论采用哪一种，都需设计两种规格的电容器和两种不同的电容器模具；高度集成化后，只需要设计一款电容器和一种模具，将C1\C2C5三个电容器放入其中，降低成本，简化电路布线结构，降低主电路杂散电感，提高电能质量。
目前薄膜电容器分为干式电容和油浸式电容。油浸式由于内部填充为植物油，实际使用中可能会发生漏油，存在绝缘变低或起火风险，若考虑安全与阻燃性能，也可以采用干式电容。干式电容分为干式有壳和干式无壳，有壳电容内部填充物为聚氨酯，虽然在正常情况下为固态，但在发生过度自愈时也会变成液态，发生泄漏，同时也会使电容器绝缘性能降低；干式无壳电容器为环氧树脂浇铸，燃点较高，硬度较大，即使电容器发生过度自愈也不会融化，保证电容器的绝缘性能，而且干式无壳相比干式有壳和油浸式电容重量较轻，安全性较高。集成电容器可以根据实际需要采用不同种类的电容器。
（4）电抗器集成化设计
直流滤波电抗器DCL1\DCL2\DCL3安装在充电机变流柜中，若分开单独设计，有两种设计方法：一种是安装在三个水冷基板上的电抗器DCL1\DCL2\DCL3，另一种是安装在一个水冷基板上的电抗器DCL1和集成在一个水冷基板上的两个直流滤波电抗器DCL2\DCL3，无论采用哪一种，也需设计两种规格的电抗器和两种不同的电抗器模具，还需要设计两种不同规格的水冷散热器；高度集成化后只需要设计一款电抗器、一种模具和一种水冷基板，与集成化电容器一样，可以降低成本，简化电路布线结构，降低主电路杂散电感，提高电能质量。
（5）EMI滤波器组件化设计
EMI滤波器在主电路的输入侧用于屏蔽过滤外部信号对充电机主电路的电磁干扰，在主电路的输出侧用于屏蔽过滤充电机主电路的信号对外部负载的电磁干扰。两个滤波器EMI1和EMI2是充电机装置对外连接的两个接口，独立安装时，占用空间较大，拆装维护过程繁琐，因此，本方案将滤波器EMI1和EMI2设计为一个集成化的EMI滤波器组件，以组件形式整体安装到变流柜体，提高产品可维护性。两个EMI滤波器通过2mm的金属框架进行组装，并且加装电磁屏蔽条进行防护，EMI滤波器组件的良好防护即是对整个屏蔽区功率电路的安全防护，同时充电机变流柜的主体框架、箱体与上盖板之间也采用电磁屏蔽条进行电磁干扰信号的密封防护。
本发明技术方案带来的有益效果
（1）三电平双向DC/DC充放电设计，可以降低功率器件的电压等级，有利于提高主电路的开关频率，有利于降低电抗器的电流纹波，减轻整个变流装置的总重量。
（2）高度集成的电容器，减少电容器备品备件种类，减小占用的空间；重量减轻，成本降低，简化电路布线结构，降低主电路杂散电感，提高电能质量。
（3）高度集成的电抗器，减少电抗器备品备件种类，减少散热器数量，降低成本，减小占用的空间，简化电路布线结构，降低主电路杂散电感，提高电能质量。
（4）EMI滤波器的组件化设计，有效屏蔽主电路电磁干扰，有效隔离电磁屏蔽区和非屏蔽区的热干扰、电磁干扰。
（5）功率单元的模块化设计，方便功率单元的拆装维护。
（6）主电路布线结构的高度集成化、模块化，缩短电气布线路径，简化了布线结构，降低主电路杂散电感，占用空间小，重量轻，成本降低，方便整体拆装更换。
附图说明
图1为本发明所述高度集成充放电装置的主电路原理图；
图2为本发明所述高度集成充放电装置充电工况1原理图；
图3为本发明所述高度集成充放电装置充电工况2原理图；
图4为本发明所述高度集成充放电装置放电工况1原理图；
图5为本发明所述高度集成充放电装置放电工况2原理图；
图6为本发明所述高度集成充放电装置的柜体内部布局示意图；
图7为本发明所述高度集成充放电装置的柜体内屏蔽区电气原理图；
图8为本发明所述高度集成充放电装置的功率模块电气原理图；
图9为本发明所述高度集成充放电装置的集成电抗器结构示意图；
图10为本发明所述高度集成充放电装置的直流滤波器EMI组件结构示意图；
图11为本发明所述高度集成充放电装置的集成电容器结构一示意图；
图12为本发明所述高度集成充放电装置的集成电容器结构二示意图；
图13为本发明所述高度集成充放电装置的集成电容器电路连接原理图；
图14为本发明所述高度集成充放电装置的功率模块结构示意图；
图15为本发明所述高度集成充放电装置的功率模块内部结构分解图；
图16为本发明所述高度集成充放电装置的功率模块复合母排结构示意图；
图17为本发明所述高度集成充放电装置的集成电容器复合母排结构示意图；
图18为本发明所述高度集成充放电装置的长电路复合母排结构示意图；
图19为本发明所述高度集成充放电装置的模块化复合母排总装结构图；
图20为本发明所述高度集成充放电装置的屏蔽区主要部件总装图；
图21为本发明所述高度集成充放电装置的长电路复合母排固定柱结构图；
图22为固定柱的涨铆圆片结构图；
图23为固定柱的涨铆圆柱结构图。
图中：1—EMI1输出正端；2—DCL1输入正端；3—DCL1输出正端；4—三电平支撑电容正端；5—变换电路输入正端；6—变换电路输出正端；7—DCL2输入正端；8—DCL2输出正端；9—滤波电容正端；10—EMI2输入正端；11—EMI1输出负端；12—三电平支撑电容负端；13—变换电路输入负端；14—变换电路输出负端；15—DCL3输入负端；16—DCL3输出负端；17—滤波电容负端；18—EMI2输入负端；19—三电平支撑电容中间端；20—变换电路输入中间端；21—EMI1输入正端；22—EMI1输入负端；23—EMI2输出正端；24—EMI2输出负端；25—电阻R1的输入端端子；26—电阻R1输出端与电阻R2的输入端端子；27—电阻R2的输出端端子；28—IGBT1上桥臂T1H集电极；29—IGBT1上桥臂T1H发射极；30—IGBT1下桥臂T1B集电极；31—IGBT1下桥臂T1B发射极；32—IGBT2上桥臂T2H集电极；33—IGBT2上桥臂T2H发射极；34—IGBT2下桥臂T2B集电极；35—IGBT2下桥臂T2B发射极；101—集成电抗器；102—集成电容器；103—功率模块；104—直流滤波器EMI组件；105—主体冷却管路；106—功率模块复合母排；107—集成电容器复合母排；108—长电路复合母排；203－水冷散热器； 201－冷却液进水口；202－冷却液出水口；301—连接支架；302—连接支脚；303—框架；401—水冷基板；402—IGBT1和IGBT2；403—电阻R1和电阻R2；404—配置板；405—PT1000；407—驱动板；408—屏蔽支撑板；409—低压连接器；410—前框架；411—后框架；412—盖板；413—进水口；414—出水口；501—固定柱；511—涨铆圆柱；512—涨铆圆片。
具体实施方式
根据本方案设计的高度集成充电装置及布线结构，包括柜体和主电路；其主电路原理图如图1，其中主电路输入端和输出端之间采用两个EMI滤波器（EMI1和EMI2）形成电磁屏蔽区，本发明实施例的充电装置柜体内腔被隔离成屏蔽区和非屏蔽区，屏蔽区和非屏蔽区从空间布局上通过钢板隔离开，功率模块103、集成电容器102、集成电抗器101和直流滤波器EMI组件104置于柜体内腔的屏蔽区（如图6所示），以避免器件相互之间存在发热、电磁干扰等影响。图1中，屏蔽区和非屏蔽区之间的电磁干扰通过EMI1\EMI2直流滤波器进行滤除。
如图6、图20所示，充电机装置采用水冷散热模式，主体冷却管路105的进水口上并联有功率模块103和集成电抗器101的冷却液进水口，主体冷却管路105的出水口上并联有功率模块103和集成电抗器101的冷却液出水口，由于功率模块103和集成电抗器101的散热功率需求近似相等，因此，功率模块103和高度集成电抗器101的流阻设计相等。
如图14、15，高度集成充电机功率模块103，是将充电装置的核心功率变换部分进行高度集成，采用两只1700V/1200A的双管IGBT构成三电平DC/DC拓扑电路，将1600V-1800V的直流母线电压经过充电机功率模块DC/DC变换为1023V-1310V的直流电压为蓄电池进行充电，也可以将1023V-1310V的蓄电池直流电压经过充电机功率模块DC/DC变换为1600V-1800V的直流电压供车辆使用。
功率模块主电路电气原理图见图8。功率模块的机械结构图见图14、15。功率模块103采用水冷散热方式，功率器件和电气部件以水冷基板401为基准，层叠布置，功率器件双管IGBT1和双管IGBT2402、电阻R1和电阻R2403布置在水冷基板401上。功率器件IGBT1内部封装有上桥臂T1H、下桥臂T1B两个桥臂，上桥臂T1H、下桥臂T1B组成一个两电平DC/DC变换电路；功率器件IGBT2内部封装有上桥臂T2H、下桥臂T2B两个桥臂，上桥臂T2H、下桥臂T2B组成一个两电平DC/DC变换电路。IGBT1和IGBT2402共4个桥臂构成三电平DC/DC变换电路。IGBT1和IGBT2402的辅助高压端子上各安装有一个配置板404，用于IGBT1和IGBT2402的门极驱动信号的稳压、Vce电压检测等功能。温度传感器PT1000405安装在IGBT1和IGBT2402中间，用于检测水冷基板401的板面温度，当板面温度超过IGBT的安全工作温度时进行警示。
IGBT1和IGBT2的高压主端子通过功率模块复合母排106进行电气连接，功率模块复合母排106的设计方案见图16； 功率模块复合母排导电层分为三层，导电层之间由绝缘层隔离，包含三层、五块铜排和五个接口；
第一层：功率模块-输出侧正极板、功率模块输出侧负极板，分别用于DC/DC变换电路直流正电压和负电压的输出；功率模块输出侧正极板上设有IGBT1上桥臂T1H发射极29的安装端子、IGBT1下桥臂T1B集电极30的安装端子，并设有DC/DC变换电路输出正端6的接口；功率模块输出侧负极板上设有IGBT2上桥臂T2H发射极33的安装端子、IGBT2下桥臂T2B集电极34的安装端子孔，并设有变换电路输出负端14的接口；
第二层：功率模块输入侧中间极板，功率模块输入侧中间极板上设有IGBT1下桥臂T1B发射极31的安装端子、IGBT2上桥臂T2H集电极32的安装端子，并设有功率模块输入侧中间端20的接口和电阻R1输出端与电阻R2的输入端辅助端子26；
第三层：功率模块输入侧正极板、功率模块输入侧负极板，功率模块输入侧正极板上设有IGBT1上桥臂T1H集电极28的端子孔，并设有功率模块输入正端5的接口和电阻R1的输入端辅助端子25；功率模块输入侧负极板上设有IGBT2下桥臂T2B发射极35的安装端子，并设有功率模块输入负端13的接口和电阻R2的输出端辅助端子27；
功率模块复合母排的各极板与相应的IGBT的高压电气连接端均设有安装端子，非高压电气连接端均开设为满足电气要求的圆形过孔，并通过绝缘板和绝缘膜进行电气隔离。
IGBT1上桥臂T1H集电极28和IGBT1下桥臂T1B发射极31的高压主端子上预留用于安装吸收电容C3的支撑铜柱；IGBT2上桥臂T2H集电极32和IGBT2下桥臂T2B发射极35的高压主端子上预留用于安装吸收电容C4的支撑铜柱；吸收电容C3和吸收电容C4406布置于功率模块复合母排106的上方；吸收电容C3选用与IGBT1上桥臂T1H集电极28和IGBT1下桥臂T1B发射极31的高压主端子间距匹配的型号，吸收电容C4选用与IGBT2上桥臂T2H集电极32和IGBT2下桥臂T2B发射极35的高压主端子间距匹配的型号，安装接口通过紧固螺栓直接安装在预留的支撑铜柱上，用于吸收IGBT1和IGBT2开通与关断时刻产生的尖峰电压，避免功率模块复合母排106另外开设吸收电容安装端子，大幅降低复合母排杂散电感及成本。
R1的输入端连接到复合母排106输入侧正极板的辅助端子25上，R1的输出端和R2的输入端短接后连接到复合母排106中间电位极板的辅助端子26上，R2的输出端连接到复合母排106负极板的辅助端子27上。
水冷基板401的前侧设置有冷却液的进水口413和出水口414，进水口413和出水口414并联到充电机装置的主体冷却管路105的进水口和出水口上，循环冷却。
水冷基板401上还安装有用于支撑和防护作用的前框架410和后框架411，前框架410和后框架411上安装有屏蔽支撑板408，驱动板407通过绝缘垫柱安装于屏蔽支撑板408上。屏蔽支撑板408采用中间是2mm铝板、两侧是绝缘板与绝缘膜的复合结构，其作用是安装支撑驱动板407以及屏蔽下方功率模块复合母排106对驱动板407的电磁干扰。屏蔽支撑板408上还安装有低压连接器409，低压连接器409采用光电一体结构，将驱动板407的15V电源以及驱动信号和反馈信号集中在一起，方便快速连接。前框架410和后框架411上方还安装有PC材料的盖板412，用于功率模块103总体结构的机械与绝缘防护。
如图11－13，集成电容器102内部包含支撑电容C1、支撑电容C2、滤波电容C5三个两电平电容器；其中支撑电容C1、支撑电容C2是两个相等的两电平直流支撑电容器，滤波电容C5是直流滤波电容器，支撑电容C1、支撑电容C2、滤波电容C5之间浇灌环氧胶进行电气隔离，整体集成为一体式集成电容器；支撑电容C1、支撑电容C2内部由六个电容子单元分成两组，每组三个电容子单元相互并联而分别构成支撑电容C1、支撑电容C2，并联后的两组电容子单元再进行串联，组成为一个支撑电容C1、支撑电容C2相互串联而成三电平支撑电容，三电平支撑电容的六个电容子单元的引线端子分别为正极端子P1\P2\P3、中间零电平端子M1\M2\M3、负极端子N1\N2\N3，滤波电容C5的电容子单元的端子分别为正极端子P4、负极端子N4；三电平支撑电容的正极端子P1\P2\P3、中间零电平端子M1\M2\M3、负极端子N1\N2\N3的母线端子分别为三电平支撑电容正端4、三电平支撑电容中间端19、三电平支撑电容负端12。三电平支撑电容正端4和三电平支撑电容中间端19之间、三电平支撑电容中间端19之间和三电平支撑电容负端12之间的容值均为925uF，支撑电容正端4和支撑电容负端12之间的容值为1850uF；滤波电容C5的正极端子P4、负极端子N4的引出端子分别为滤波电容正端9、滤波电容负端17，滤波电容正端9、滤波电容负端17之间的容值为1000uF。集成电容器102的各端子之间通过集成电容器复合母排107进行高压电气连接，并联到直流母线上。
如图17，集成电容器复合母排107导电层分为两层，导电层之间由绝缘层隔离，包含五块铜排和七个接口；第一层包含一块铜排：三电平支撑电容负极板，其上设有与三电平支撑电容的负极端子N1\N2\N3高压电气连接的的高压端子，并设有三电平支撑电容与直流母线并联的负端接口12和三电平支撑电容与功率模块电气连接的负端接口13；第二层包含四块独立铜排：三电平支撑电容正极板、三电平支撑电容中间极板、滤波电容C5正极板、滤波电容C5负极板，三电平支撑电容正极板、三电平支撑电容中间极板被三电平支撑电容负极板覆盖，滤波电容C5正极板、滤波电容C5负极板位于三电平支撑电容负极板上方。四块独立铜排之间留有足够电气间隙和爬电距离，并且与第一层之间通过绝缘板和绝缘膜进行电气隔离。三电平支撑电容正极板上设有与三电平支撑电容的正极端子P1\P2\P3对应的高压端子，并设有三电平支撑电容与直流母线并联的正端接口4和三电平支撑电容与功率模块电气连接的正端接口5，三电平支撑电容中间极板上设有与三电平支撑电容的中间零电平端子M1\M2\M3电气连接的高压端子，并设有三电平支撑电容中间端19与功率模块中间端20搭接的接口，滤波电容C5正极板上设有与滤波电容C5的正极端子P4电气连接的高压端子，并设有滤波电容C5与直流母线并联的正端接口9，滤波电容C5负极板上设有与滤波电容C5的负极端子N4电气连接的高压端子，并设有滤波电容C5与直流母线并联的负端接口17。集成电容器复合母排107上的电气连接端子P1~P4、M1~M3、N1~N3分别与集成电容器102的电气连接端子P1~P4、M1~M3、N1~N3对应安装，且各极板与电容的非高压电气连接端均开设为满足电气要求的圆形过孔，并通过绝缘板和绝缘膜进行电气隔离。
支撑电容C1\C2和滤波电容C5安装在充电机装置的柜体中，若分开单独设计，有两种设计方法：一种是两个两电平支撑电容器和一个两电平滤波电容器，另一种是一个集成化的三电平支撑电容器和一个两电平滤波电容器，无论采用哪一种，都需设计两种规格的电容器和两种不同的电容器模具；高度集成化后，只需要设计一款电容器和一种模具，将C1\C2 C5三个电容器放入其中，降低成本，简化电路布线结构，降低主电路杂散电感，提高电能质量。
目前薄膜电容器分为干式电容和油浸式电容。油浸式由于内部填充为植物油，实际使用中可能会发生漏油，存在绝缘变低或起火风险，若考虑安全与阻燃性能，也可以采用干式电容。干式电容分为干式有壳和干式无壳，有壳电容内部填充物为聚氨酯，虽然在正常情况下为固态，但在发生过度自愈时也会变成液态，发生泄漏，同时也会使电容器绝缘性能降低；干式无壳电容器为环氧树脂浇铸，燃点较高，硬度较大，即使电容器发生过度自愈也不会融化，保证电容器的绝缘性能，而且干式无壳相比干式有壳和油浸式电容重量较轻，安全性较高。集成电容器可以根据实际需要采用不同种类的电容器。
如图9，集成电抗器101包含的三个直流滤波电抗器DCL1、DCL2、DCL3之间浇铸环氧胶进行电气隔离而完成集成；三个直流滤波电抗器DCL1、DCL2、DCL3的发热铁芯***环绕冷却液流道，并整体集成在一个水冷散热器203的上部，各个冷却液流道并联汇总在水冷散热器203上，通过一个总的冷却液进水口201和一个冷却液出水口202与充电机装置柜体的主体冷却管路105连接循环。
直流滤波电抗器DCL1、直流滤波电抗器DCL2 、直流滤波电抗器DCL3安装在充电机装置的柜体中，若分开单独设计，有两种设计方法：一种是一个安装在水冷基板上的平波电抗器DCL1和两个相同的安装在水冷基板上的直流滤波电抗器，另一种是一个安装在水冷基板上的平波器和一个集成在水冷基板上的两个直流滤波电抗器，无论采用哪一种，也需设计两种规格的电抗器和两种不同的电抗器模具，还需要设计两种不同规格的水冷基板散热器；高度集成化后只需要设计一款电抗器、一种模具和一种水冷基板，与集成电容器一样，可以降低成本，简化电路布线结构，降低主电路杂散电感，提高电能质量。
如图10，直流滤波器EMI1和直流滤波器EMI2上下叠放并通过连接支架301、连接支脚302、框架303连接固定而集成为直流滤波器EMI组件104；具体地，叠放后的直流滤波器EMI1和直流滤波器EMI2的前端面固定有框架303，直流滤波器EMI1、直流滤波器EMI2在两个侧面结合部分别固定有相互螺栓连接的连接支架301，以此实现直流滤波器EMI1和直流滤波器EMI2的固定而集成为直流滤波器EMI组件104，直流滤波器EMI2的两个侧面底部还固定有连接支脚302。直流滤波器EMI1和直流滤波器EMI2以组件形式整体安装到柜体内，方便拆装维护。直流滤波器EMI1和直流滤波器EMI2通过2mm的金属框架进行组装，并且加装电磁屏蔽条进行防护，直流滤波器EMI组件104是屏蔽区和非屏蔽区之间的电气接口，其良好的电磁屏蔽效果直接影响整个主电路的电气性能质量。金属材料对电磁信号有效屏蔽的同时，充电机装置柜体的主体框架、柜体与上盖板之间也采用电磁屏蔽条进行电磁信号的密封防护。
EMI滤波器在主电路的输入侧用于屏蔽过滤外部信号对充电机主电路的电磁干扰，在主电路的输出侧用于屏蔽过滤充电机主电路的信号对外部负载的电磁干扰。两个滤波器EMI1和EMI2是充电机装置对外连接的两个接口，独立安装时，占用空间较大，拆装维护过程繁琐，因此，本方案将滤波器EMI1和EMI2设计为一个集成化的EMI滤波器组件，以组件形式整体安装到柜体内，提高产品可维护性。
如图20，集成电抗器101、集成电容器102、功率模块103、直流滤波器EMI组件104通过一个高度集成的模块化长电路复合母排108进行高压电气连接，长电路复合母排108导电层分为四层，第一层：EMI1输出正端1到DCL1输入正端2的铜排；还有DCL1输出正端3到三电平支撑电容正端4的铜排；第二层：EMI1输出负端11到三电平支撑电容负端12的铜排；第三层：EMI2输入负端18到DCL3输出负端16、中部并联有滤波电容负端17的铜排；第四层：EMI2输入正端10到DCL2输出正端8、中部并联有滤波电容正端9的铜排；长电路复合母排108还包括绝缘压接于第一层的功率模块输出负端14到DCL3输入负端15的铜排和功率模块输出正端6到DCL2输入正端7的铜排。功率模块复合母排106、集成电容器复合母排107、长电路复合母排108按照主电路原理图相互连接组成高度集成的模块化复合母排（图19所示）；集成电容器复合母排107的三电平支撑电容正端4、三电平支撑电容中间端19、三电平支撑电容负端12分别与功率模块复合母排106的输入正端5、输入中间端20、输入负端13进行搭接，功率模块复合母排106的输出正端6、输出负端14分别与长电路复合母排108的端子6、端子14进行搭接；集成电容器复合母排107的滤波电容正端9、滤波电容负端17分别与长电路复合母排108的端子9、端子17进行搭接，集成电容器复合母排107的正端端子4、负端端子12分别与长电路复合母排108的正端4、负端端子12进行搭接。以上每种复合母排的导电层之间根据电气间隙和爬电距离要求，不同电极、不同层间加装绝缘板、绝缘膜等绝缘材料进行绝缘隔离，并且长电路复合母排108上带有两个固定柱501，两个固定柱501对长电路复合母排108的四层铜排和中间的绝缘材料进行固定与压合。如图21－23，固定柱501由一个凸台型涨铆圆柱511和一个涨铆圆片512通过涨铆作用将长电路复合母排108进行固定与压合，固定柱501与长电路复合母排108之间通过绝缘材料进行电气隔离。
本发明中所有复合母排的非高压电气连接点均开设为圆形过孔，圆形过孔通过绝缘材料进行防护，均为绝缘孔。

Claims (9)

1.一种高度集成充放电装置，包括柜体和主电路；
主电路包括三电平双向DC/DC变换电路，三电平双向DC/DC变换电路由相互串接的IGBT1和IGBT2构成，IGBT1和IGBT2均为双管IGBT，即IGBT1由上桥臂T1H和下桥臂T1B构成，IGBT2由上桥臂T2H和下桥臂T2B构成，IGBT1和IGBT2之间的连接节点为零电位的变换电路输入中间端(20)，IGBT1的非串接端为变换电路输入正端(5)，IGBT2的非串接端为变换电路输入负端(13)， IGBT1的上桥臂T1H和下桥臂T1B之间的连接节点为变换电路输出正端(6)，IGBT2的上桥臂T2H和下桥臂T2B之间的连接节点为变换电路输出负端(14)；
主电路的输入正端X1与直流滤波器EMI1的输入正端(21)连接，直流滤波器EMI1的输出正端(1)与直流滤波电抗器DCL1的输入正端(2)连接，直流滤波电抗器DCL1的输出正端(3)与变换电路输入正端(5)连接；主电路的输入负端X2与直流滤波器EMI1的输入负端(22)连接，直流滤波器EMI1的输出负端(11)与变换电路输入负端(13)连接；变换电路输入正端(5)与变换电路输入中间端(20)之间分别并联支撑电容C1、电阻R1、吸收电容C3，变换电路输入中间端(20)与变换电路输入负端(13)之间分别并联支撑电容C2、电阻R2、吸收电容C4；变换电路输出正端(6)与直流滤波电抗器DCL2的输入正端(7)连接，直流滤波电抗器DCL2的输出正端(8)与直流滤波器EMI2的输入正端(10)连接，变换电路输出负端(14)与直流滤波电抗器DCL3的输入负端(15)连接，直流滤波电抗器DCL3的输出负端(16)与直流滤波器EMI2的输入负端(18)连接；直流滤波器EMI2的输入正端(10)与直流滤波器EMI2的输入负端(18)之间分别并联滤波电容C5、电阻R3；直流滤波器EMI2的输出正端(23)和直流滤波器EMI2的输出负端(24)与蓄电池连接；
三电平双向DC/DC变换电路、电阻R1、电阻R2、吸收电容C3、吸收电容C4集成为功率模块(103)，支撑电容C1、支撑电容C2、滤波电容C5集成为集成电容器(102)，直流滤波电抗器DCL1、直流滤波电抗器DCL2、直流滤波电抗器DCL3集成为集成电抗器(101)，直流滤波器EMI1、直流滤波器EMI2集成为直流滤波器EMI组件(104)；其特征在于，
功率模块(103)采用水冷散热方式，以水冷基板(401)为基准，层叠布置，需要散热的IGBT1和IGBT2(402)、电阻R1和电阻R2(403)布置在水冷基板(401)上；
IGBT1和IGBT2的高压主端子通过功率模块复合母排(106)进行电气连接，功率模块复合母排导电层分为三层，导电层之间由绝缘层隔离，包含三层、五块铜排和五个接口；
第一层：变换电路输出正极板、变换电路输出负极板，分别用于变换电路直流正电压和负电压的输出；变换电路输出正极板上开有IGBT1上桥臂T1H发射极(29)的端子孔、IGBT1下桥臂T1B集电极(30)的端子孔，并带有变换电路输出正端(6)的接口；变换电路输出负极板上开有IGBT2上桥臂T2H发射极(33)的端子孔、IGBT2下桥臂T2B集电极(34)的端子孔，并带有变换电路输出负端(14)的接口；
第二层：变换电路输入中间极板，变换电路输入中间极板上开有IGBT1下桥臂T1B发射极(31)的端子孔、IGBT2上桥臂T2H集电极(32)的端子孔，并带有变换电路输入中间端(20)的接口和电阻R1输出端与电阻R2的输入端端子(26)；
第三层：变换电路输入正极板、变换电路输入负极板，变换电路输入正极板上开有IGBT1上桥臂T1H集电极(28)的端子孔，并带有变换电路输入正端(5)的接口和电阻R1的输入端端子(25)；变换电路输入负极板上开有IGBT2下桥臂T2B发射极(35)的端子孔，并带有变换电路输入负端(13)的接口和电阻R2的输出端端子(27)；
IGBT1上桥臂T1H集电极(28)和IGBT1下桥臂T1B发射极(31)的高压主端子上预留用于连接吸收电容C3的支撑铜柱；IGBT2上桥臂T2H集电极(32)和IGBT2下桥臂T2B发射极(35)的高压主端子上预留用于连接吸收电容C4的支撑铜柱；吸收电容C3和吸收电容C4(406)布置于功率模块复合母板(106)的上方；
电阻R1的两端分别与电阻R1的输入端端子(25)、电阻R1输出端与电阻R2的输入端端子(26)相连；电阻R2的两端分别与电阻R1输出端与电阻R2的输入端端子(26)、电阻R2的输出端端子(27)相连；
集成电容器(102)内部包含支撑电容C1、支撑电容C2、滤波电容C5三个两电平电容器；其中支撑电容C1、支撑电容C2是两个相等的两电平直流支撑电容器，滤波电容C5是直流滤波电容器，支撑电容C1、支撑电容C2、滤波电容C5之间浇灌环氧胶进行电气隔离，整体集成为一体式集成电容器；支撑电容C1、支撑电容C2内部由六个电容子单元分成两组，每组三个电容子单元相互并联而分别构成支撑电容C1、支撑电容C2，并联后的两组电容子单元再进行串联，组成为一个支撑电容C1、支撑电容C2相互串联而成三电平支撑电容，三电平支撑电容的六个电容子单元的引线端子分别为正极端子P1\P2\P3、中间零电平端子M1\M2\M3、负极端子N1\N2\N3，滤波电容C5的电容子单元的端子分别为正极端子P4、负极端子N4；三电平支撑电容的正极端子P1\P2\P3、中间零电平端子M1\M2\M3、负极端子N1\N2\N3的母线端子分别为三电平支撑电容正端(4)、三电平支撑电容中间端(19)、三电平支撑电容负端(12)；滤波电容C5的正极端子P4、负极端子N4的引出端子分别为滤波电容正端(9)、滤波电容负端(17)；集成电容器(102)的各端子之间通过集成电容器复合母排(107)进行高压电气连接；
集成电容器复合母排(107)导电层分为两层，导电层之间由绝缘层隔离，包含五块铜排和七个接口；第一层包含一块铜排：三电平支撑电容负极板，其上开有与三电平支撑电容的负极端子N1\N2\N3对应的端子孔，并带有三电平支撑电容负端(12)的接口和变换电路输入负端(13)的接口；第二层包含四块独立铜排：三电平支撑电容正极板、三电平支撑电容中间极板、滤波电容C5正极板、滤波电容C5负极板，三电平支撑电容正极板、三电平支撑电容中间极板被三电平支撑电容负极板覆盖，滤波电容C5正极板、滤波电容C5负极板位于三电平支撑电容负极板上方且滤波电容C5正极板和滤波电容C5负极板之间被绝缘层隔离，三电平支撑电容正极板上开有与三电平支撑电容的正极端子P1\P2\P3对应的端子孔，并带有三电平支撑电容正端(4)的接口和变换电路输入正端(5)的接口；三电平支撑电容中间极板上开有与三电平支撑电容的中间零电平端子M1\M2\M3对应的端子孔，并带有三电平支撑电容中间端(19)的接口，滤波电容C5正极板上开有与滤波电容C5的正极端子P4对应的端子孔，并带有滤波电容正端(9)的接口，滤波电容C5负极板上开有与滤波电容C5的负极端子N4对应的端子孔，并带有滤波电容负端(17)的接口；
集成电抗器(101)包含的三个直流滤波电抗器DCL1、DCL2、DCL3之间浇铸环氧胶进行电气隔离而完成集成；
直流滤波器EMI1和直流滤波器EMI2上下叠放并固定而集成为直流滤波器EMI组件(104)；
功率模块复合母排(106)、集成电容器复合母排(107)、集成电抗器(101)、直流滤波器EMI组件(104)通过长电路复合母排(108)进行高压电气连接，长电路复合母排(108)导电层分为四层，第一层：两端分别为EMI1输出正端(1)的接口和DCL1输入正端(2)的接口的铜排；还有两端分别为DCL1输出正端(3)的接口和三电平支撑电容正端(4)的接口的铜排；第二层：两端分别为EMI1输出负端(11)的接口和三电平支撑电容负端(12)的接口的铜排；第三层：两端分别为EMI2输入负端(18)的接口和DCL3输出负端(16)的接口、中部连接滤波电容负端(17)的接口的铜排；第四层：两端分别为EMI2输入正端(10)的接口和DCL2输出正端(8)的接口、中部连接滤波电容正端(9)的接口的铜排；长电路复合母排(108)还包括绝缘压接于第一层表面的DCL3输入负端(15)的接口和DCL2输入正端(7)的接口，DCL3输入负端(15)的接口经折弯铜排延伸出变换电路输出负端(14)的接口，DCL2输入正端(7)的接口经折弯铜排延伸出变换电路输出正端(6)的接口；
功率模块复合母排(106)、集成电容器复合母排(107)、长电路复合母排(108)按照主电路原理图相互连接组成模块化复合母排；集成电容器复合母排(107)的变换电路输入正端(5)的接口、三电平支撑电容中间端(19)的接口、变换电路输入负端(13)的接口分别与功率模块复合母排(106)的变换电路输入正端(5)的接口、变换电路输入中间端(20)的接口、变换电路输入负端(13)的接口进行搭接，功率模块复合母排(106)的变换电路输出正端(6)的接口、变换电路输出负端(14)的接口分别与长电路复合母排(108)的变换电路输出正端(6)的接口、变换电路输出负端(14)的接口进行搭接；集成电容器复合母排(107)的滤波电容正端(9)的接口、滤波电容负端(17)的接口分别与长电路复合母排(108)的滤波电容正端(9)的接口、滤波电容负端(17)的接口进行搭接，集成电容器复合母排(107)的三电平支撑电容正端(4)的接口、三电平支撑电容负端(12)的接口分别与长电路复合母排(108)的三电平支撑电容正端(4)的接口、三电平支撑电容负端(12)的接口进行搭接。
2.根据权利要求1所述的一种高度集成充放电装置，其特征在于，柜体内腔被隔离成屏蔽区和非屏蔽区，屏蔽区和非屏蔽区从空间布局上通过钢板隔离开，功率模块(103)、集成电容器(102)、集成电抗器(101)和直流滤波器EMI组件(104)置于柜体内腔的屏蔽区。
3.根据权利要求2所述的一种高度集成充放电装置，其特征在于，IGBT1和IGBT2(402)的辅助高压端子上安装有配置板(404)，用于IGBT1和IGBT2的过压、过流保护。
4.根据权利要求3所述的一种高度集成充放电装置，其特征在于，吸收电容C3选用与IGBT1上桥臂T1H集电极(28)和IGBT1下桥臂T1B发射极(31)的高压主端子间距匹配的型号，吸收电容C4选用与IGBT2上桥臂T2H集电极(32)和IGBT2下桥臂T2B发射极(35)的高压主端子间距匹配的型号，安装接口通过紧固螺栓直接安装在预留的支撑铜柱上。
5.根据权利要求4所述的一种高度集成充放电装置，其特征在于，水冷基板(401)上还安装有用于支撑和防护作用的前框架(410)和后框架(411)，前框架(410)和后框架(411)上安装有屏蔽支撑板(408)，驱动板(407)通过绝缘垫柱安装于屏蔽支撑板(408)上；屏蔽支撑板(408)采用中间是2mm铝板、两侧是绝缘板与绝缘膜的复合结构，屏蔽支撑板(408)上还安装有低压连接器(409)，低压连接器(409)采用光电一体结构，将驱动板(407)的15V电源以及驱动信号和反馈信号集中在一起，前框架(410)和后框架(411)上方还安装有PC材料的盖板(412)。
6.根据权利要求5所述的一种高度集成充放电装置，其特征在于，三个直流滤波电抗器DCL1、DCL2、DCL3的发热铁芯***环绕冷却液流道，并整体集成在一个水冷散热器(203)的上部，各个冷却液流道并联汇总在水冷散热器(203)上，通过一个总的冷却液进水口（ 201）和一个冷却液出水口（ 202） 与充电机装置柜体的主体冷却管路（ 105） 连接循环。
7.根据权利要求6所述的一种高度集成充放电装置，其特征在于，叠放后的直流滤波器EMI1和直流滤波器EMI2的前端面固定有框架(303)，直流滤波器EMI1、直流滤波器EMI2在侧面结合部分别固定有相互螺栓连接的连接支架(301)，以此实现直流滤波器EMI1和直流滤波器EMI2的固定而集成为直流滤波器EMI组件(104)。
8.根据权利要求7所述的一种高度集成充放电装置，其特征在于，充电机装置采用水冷散热模式，主体冷却管路(105)的进水口上并联有功率模块(103)和集成电抗器(101)的冷却液进水口，主体冷却管路(105)的出水口上并联有功率模块(103)和集成电抗器(101)的冷却液出水口，由于功率模块(103)和集成电抗器(101)的散热功率需求近似相等，因此，功率模块(103)和集成电抗器(101)的流阻设计相等。
9.根据权利要求8所述的一种高度集成充放电装置，其特征在于，长电路复合母排(108)上带有两个固定柱(501)，两个固定柱(501)对长电路复合母排(108)的四层铜排和中间的绝缘材料进行固定与压合；固定柱(501)由一个凸台型涨铆圆柱(511)和一个涨铆圆片(512)通过涨铆作用将长电路复合母排(108)进行固定与压合，固定柱(501)与长电路复合母排(108)之间通过绝缘材料进行电气隔离。
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