三環控制功率因數校正器及控制方法、配套無線充電電路與流程

2023-11-11 10:39:22

本發明涉及大功率無線充電領域，具體地，涉及一種應用於無線充電的三環控制功率因數校正器及其控制方法、配套無線充電電路。

背景技術：

在過去十年，智慧型手機、手提電腦等消費類電子產品指數式增加，人們通過無線網絡暢遊世界，享受著科技進步帶來的福利。然而，不便捷的充電體驗一直困擾著大眾，因此無線充電技術受到了學術界和科技工業界的廣泛關注，也因此製造出了許多無線充電的消費類電子產品、無線供電的嵌入式設備，甚至是無線充電的電動汽車。

近幾年，無線充電式電動汽車成為一個很熱的研究課題，但是目前仍然存在諸多需要解決的問題。首先，電池對充電波形有特殊的要求，通常包括恆壓充電模式和恆流充電模式，這就要求需要設計能量輸出調節電路；其次，電動汽車充電設備屬於大功率產品，電力系統對其功率因數有嚴格的要求，因此網側電流必須要能夠與電網電壓同步，且波形正弦化，這就必然要在前級添加功率因數校正器；再者，從原邊到副邊的無線電能傳輸環節也會造成部分能量損耗。因此，提出一種緊湊的電路拓撲以提高大功率無線充電系統的整體效率是一個亟待解決的問題。

綜合以上，本發明提出一種應用於無線充電的三環控制功率因數校正器，旨在通過對功率因數校正器的控制，實現網側單位功率因數以及輸出電壓與電流可調的功能，達到去除副邊DC-DC調節裝置的目的，從而提高系統的整體效率。

經過對應用於無線充電的三環控制功率因數校正器現有技術的檢索，發現主要有以下代表性文獻：

G.Buja,M.Bertoluzzo,and K.N.Mude,"Design and Experimentation of WPT Charger for Electric City Car,"Industrial Electronics,IEEE Transactions on,vol.62,pp.7436-7447,2015.一文提出了無線電動汽車的普遍設計方案，即包括整流橋、功率因數校正器、無線輸電環節與副邊DC-DC電路，但是副邊DC-DC電路是有源的，需要相應的控制器、散熱風扇、驅動電路和供電電源，這必然會增加車載充電器的體積和重量，更為嚴重的是它會造成功率損耗，影響系統的整體效率；J.M.Miller,C.P.White,O.C.Onar,and P.M.Ryan,"Grid side regulation of wireless power charging of plug-in electric vehicles,"in Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),2012IEEE,2012,pp.261-268.一文提出利用逆變器的工作頻率，調節輸出能量，但是無線充電環節在系統工作在諧振頻率附近時才能達到最優效率，頻率調節雖然能夠達到輸出能量調節的作用，但是這種方法會造成效率下降。

綜合以上，對功率因數校正器現有技術的檢索後發現，現有的控制方法都是採用雙環控制方法，未能有效利用功率因數校正器的功能，因此，本發明提出三環控制的功率因數校正器，能夠省去副邊的DC-DC電路，實現緊湊無線充電系統的設計。

技術實現要素：

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種三環控制功率因數校正器及控制方法、配套無線充電電路。

根據本發明提供的三環控制功率因數校正器，包括：第一電感、第一MOSFET開關管、第五二極體以及第一電解電容，第一電感的一端構成三環控制功率因數校正器的正輸入端，第一電感的另一端與第一MOSFET開關管的漏極、第五二極體的陽極相連，第五二極體的陰極與第一電解電容的正極相連構成三環控制功率因數校正器的正輸出端，第一MOSFET開關管的源極構成三環控制功率因數校正器的負輸入端，第一電解電容的負極構成三環控制功率因數校正器的負輸出端。

根據本發明提供的三環控制功率因數校正器的控制方法，包括如下步驟：

外環輸出能量調節步驟：根據給定的恆壓充電電壓參考值Vo*或恆流充電的電流參考值Io*與採樣得到的實際電壓Vo或電流Io做比較，得到誤差信號，所述誤差信號作為控制器的輸入信號，由控制器輸出功率因數校正器的期望電壓Vd*；

電壓中間環調節步驟：將採樣得到的電壓輸入至鎖相環，得到輸入電壓的相角wt，所述相角wt作為正弦函數的輸入，由正弦函數的輸出sin(wt)形式的電流；

電流內環調節步驟：sin(wt)形式的電流與期望電流幅值組成當前時刻流過第一電感的期望電流，當前時刻流過第一電感的期望電流與經過電流採樣所獲得的當前時刻流過第一電感的實際電流iL做比較後得到偏差信號，所述偏差信號通過PI調節後產生PWM信號驅動第一MOSFET開關管，功率因數校正器的輸出電壓Vd作為無線輸電網絡的輸入，經過高頻逆變、無線傳輸和高頻整流後，所獲得的直流電壓Vo作用在負載上，且實際輸出電壓與電流信號Vo/Io再次傳回原邊，實現閉環工作。

根據本發明提供的三環控制功率因數校正器的配套無線充電電路，包括：整流橋、三環控制功率因數校正器、無線輸電環節，其中，整流橋將工頻交流電壓整流成直流，三環控制功率因數校正器用於功率因數校正與輸出能量的調節，無線輸電環節用於將能量通過磁耦合方式從傳輸至負載端。

優選地，所述整流橋包括：第一二極體、第二二極體、第三二極體、第四二極體，工頻交流電源的一端與第一二極體的陽極、第二二極體的陰極相連，工頻交流電源的另一端與第三二極體的陽極、第四二極體的陰極相連，第一二極體、第三二極體的陰極相連構成整流橋的正輸出端，第二二極體、第四二極體陰極相連構成整流橋的負輸出端。

優選地，所述三環控制功率因數校正器包括：第一電感、第一MOSFET開關管、第五二極體以及第一電解電容，第一電感的一端與整流橋的正輸出端相連，第一電感的另一端與第一MOSFET開關管的漏極、第五二極體的陽極相連，第五二極體的陰極與第一電解電容的正極相連構成三環控制功率因數校正器的正輸出端，第一MOSFET開關管的源極與整流橋的負輸出端相連，第一電解電容的負極構成三環控制功率因數校正器的負輸出端。

優選地，所述無線輸電環節包括：H橋、串串諧振網絡以及不控整流橋，其中：

H橋包括：第二MOSFET開關管、第三MOSFET開關管、第四MOSFET開關管、第五MOSFET開關管；第二MOSFET開關管的漏極、第四MOSFET開關管的漏極與功率因數校正器的正輸出端相連，第二MOSFET開關管的源極與第三MOSFET開關管的漏極相連，第四MOSFET開關管的源極與第五MOSFET開關管的漏極相連，第三MOSFET開關管的源極、第五MOSFET開關管的源極連接至功率因數校正器的負輸出端；第二MOSFET開關管的源極構成H橋的第一輸出端，第四MOSFET開關管的源極構成H橋的第二輸出端；

串串諧振網絡包括：第一等效寄生電阻、第二諧振電感、第一補償電容、第二等效寄生電阻、第三諧振電感、第二補償電容，第一等效寄生電阻的一端連接至H橋的第一輸出端，第一等效寄生電阻的另一端通過第二諧振電感連接至第一補償電容的一端，第一補償電容的另一端連接至H橋的第二輸出端；第二諧振電感與第三諧振電感之間存在耦合，實現無線電能傳輸；第三諧振電感的一端連接至第二等效寄生電阻的一端，第三諧振電感的另一端連接至第二補償電容的一端，第二等效寄生電阻的另一端構成串串諧振網絡的第一輸出端，第二補償電容的另一端構成串串諧振網絡的第二輸出端；

不控整流橋包括：第六二極體、第七二極體、第八二極體、第九二極體、第二電解電容，第六二極體的陽極與第七二極體的陰極相連並連接至串串諧振網絡的第一輸出端，第八二極體的陽極與第九二極體的陰極相連並連接至串串諧振網絡的第二輸出端；第六二極體的陰極、第八二極體的陰極與第二電解電容的正極相連；第七二極體的正極、第九二極體的正極與第二電解電容的負極相連；且所述第二電解電容的正極與負極還分別連接至負載的兩端。

與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：

1、本發明中的無線系統接收端無調節裝置，省去了有源器件和相應的外圍設備，減小了接收器的體積和質量，且電路緊湊損耗小。

2、本發明利用功率因數校正器輸出電壓調節負載的電壓和電流，在副邊無調節裝置的情況下仍然能夠實現恆壓或者恆流充電模式。

3、本發明的前級功率因數校正器使得輸入電流正弦化，能夠獲得接近1的功率因數。

4、本發明避免了移相調壓的環流問題和變頻調壓的效率下降問題，同時也能夠適當減少逆變器開關管電壓應力。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯：

圖1為應用本發明的無線充電的三環控制功率因數校正器的流程示意圖；

圖2為本發明中無線充電的三環控制功率因數校正器的電路原理圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變化和改進。這些都屬於本發明的保護範圍。

根據本發明提供的應用於無線充電的三環控制功率因數校正器，及其相配套的大功率無線充電電路。其中，所述應用於無線充電的三環控制功率因數校正器，通過內環調節使輸入電流跟隨輸入電壓相位，並且使其波形正弦化，從而獲得接近1的功率因數；通過中間環調節功率因數校正器的直流輸出電壓，獲得所需要的逆變器輸入電壓；通過外環調節輸出能量，使得即使線圈互感或負載改變，系統也依然能夠工作在恆壓或者恆流模式。所述大功率無線充電電路包括整流橋、功率因數校正器、無線輸電環節和負載，其中，整流橋將工頻交流電壓整流成直流，功率因數校正器負責功率因數校正與輸出能量調節，無線輸電環節負責將能量通過磁耦合方式從發射器傳輸到接收器，並給負載供電。

所述應用於無線充電的三環控制功率因數校正器，包括電流內環、電壓中間環、輸出能量調節外環。首先，系統給定恆壓充電或恆流充電的參考值，該參考值與輸出電壓/電流採樣得到的實際電壓或電流做比較，產生的誤差信號作為控制器的輸入，控制器根據擾動觀察法產生功率因數校正器的期望電壓，功率因數校正器的期望電壓與電壓採樣所得的功率因數校正器輸出電壓做比較，所產生的偏差信號經PI調節後作為電流內環的期望電流幅值，輸入電壓經過電壓採樣再經過鎖相環(PLL)可得到輸入電壓的相角，所得相角作為正弦函數的輸入，而後正弦函數的輸出與期望電流幅值組成當前時刻流過第一電感的期望電流，當前時刻流過第一電感的期望電流與經過電流採樣所獲得的當前時刻流過第一電感的實際電流做比較，所獲得的偏差信號通過PI調節後產生PWM信號，驅動第一MOSFET開關管，功率因數校正器的輸出電壓作為無線輸電網絡的輸入，經過高頻逆變、無線傳輸和高頻整流後，所獲得的直流電壓作用在負載上，該實際輸出電壓與電流信號再次傳回原邊，實現閉環工作。

所述整流橋包括：第一二極體、第二二極體、第三二極體、第四二極體，工頻交流電源的一端與第一二極體的陽極、第二二極體的陰極相連，工頻交流電源的另一端與第三二極體的陽極、第四二極體的陰極相連，第一二極體、第三二極體的陰極相連構成整流橋的正輸出端，第二二極體、第四二極體陰極相連構成整流橋的負輸出端。

所述功率因數校正器包括：第一電感、第一MOSFET開關管、第五二極體以及第一電解電容，第一電感的一端與整流橋的正輸出端相連，第一電感的另一端與第一MOSFET開關管的漏極、第五二極體的陽極相連，第五二極體的陰極與第一電解電容的正極相連構成功率因數校正器的正輸出端，第一MOSFET開關管的源極與整流橋的負輸出端相連、第一電解電容的負極構成功率因數校正器的負輸出端。

所述無線輸電環節包括：H橋、串串諧振網絡以及不控整流橋，其中：

H橋包括：第二MOSFET開關管、第三MOSFET開關管、第四MOSFET開關管、第五MOSFET開關管；第二MOSFET開關管的漏極、第四MOSFET開關管的漏極與功率因數校正器的正輸出端相連，第二MOSFET開關管的源極與第三MOSFET開關管的漏極相連，第四MOSFET開關管的源極與第五MOSFET開關管的漏極相連，第三MOSFET開關管的源極、第五MOSFET開關管的源極連接至功率因數校正器的負輸出端；第二MOSFET開關管的源極構成H橋的第一輸出端，第四MOSFET開關管的源極構成H橋的第二輸出端；

串串諧振網絡包括：第一等效寄生電阻、第二諧振電感、第一補償電容、第二等效寄生電阻、第三諧振電感、第二補償電容，第一等效寄生電阻的一端連接至H橋的第一輸出端，第一等效寄生電阻的另一端通過第二諧振電感連接至第一補償電容的一端，第一補償電容的另一端連接至H橋的第二輸出端；第二諧振電感與第三諧振電感之間存在耦合，實現無線電能傳輸；第三諧振電感的一端連接至第二等效寄生電阻的一端，第三諧振電感的另一端連接至第二補償電容的一端，第二等效寄生電阻的另一端構成串串諧振網絡的第一輸出端，第二補償電容的另一端構成串串諧振網絡的第二輸出端；

不控整流橋包括：第六二極體、第七二極體、第八二極體、第九二極體、第二電解電容，第六二極體的陽極與第七二極體的陰極相連並連接至串串諧振網絡的第一輸出端，第八二極體的陽極與第九二極體的陰極相連並連接至串串諧振網絡的第二輸出端；第六二極體的陰極、第八二極體的陰極與第二電解電容的正極相連；第七二極體的正極、第九二極體的正極與第二電解電容的負極相連；且所述第二電解電容的正極與負極還分別連接至負載的兩端。

如圖1所示，本實施例提供一種應用於無線充電的三環控制功率因數校正器和相配套的大功率無線充電電路。應用於無線充電的三環控制功率因數校正器，電流內環、電壓中間環、輸出能量調節外環。首先，系統給定恆壓充電或恆流充電的參考值Vo*/Io*，該參考值與輸出電壓/電流採樣得到的實際電壓或電流Vo/Io做比較，產生的誤差信號作為控制器的輸入，控制器根據擾動觀察法產生功率因數校正器的期望電壓Vd*，功率因數校正器的期望電壓Vd*與電壓採樣所得的功率因數校正器輸出電壓Vd做比較，所產生的偏差信號經PI調節後作為電流內環的期望電流幅值，輸入電壓經過電壓採樣再經過鎖相環(PLL)可得到輸入電壓的相角wt，所得相角作為正弦函數的輸入，而後正弦函數的輸出sin(wt)與期望電流幅值組成當前時刻流過第一電感的期望電流，當前時刻流過第一電感的期望電流與經過電流採樣所獲得的當前時刻流過第一電感的實際電流iL做比較，所獲得的偏差信號通過PI調節後產生PWM信號，驅動MOSFET開關管S1，功率因數校正器的輸出電壓Vd作為無線輸電網絡的輸入，經過高頻逆變、無線傳輸和高頻整流後，所獲得的直流電壓Vo作用在負載上，該實際輸出電壓與電流信號Vo/Io再次傳回原邊，實現閉環工作。

所述整流橋包括四隻二極體D1-D4，工頻交流電源Vin的一端與二極體陽極D1、二極體D2的陰極相連，工頻交流電源Vin的另一端與二極體D3的陽極、二極體D4的陰極相連，二極體D1、二極體D3的陰極相連形成直流輸入正極，二極體D2、二極體D4的陽極相連形成直流輸入負極；

所述功率因數校正器，包括一隻電感L1、一隻MOSFET開關管S1和一隻二極體D5，電感L1的一端與整流橋的正極相連，另一端與MOSFET開關管S1的漏極、二極體D5的陽極相連，二極體D5的陰極與電解電容E1的正極相連形成電壓源逆變器的正極，MOSFET開關管S1的源極與整流橋的負極和電解電容E1的負極相連形成電壓源逆變器的負極；

所述無線輸電環節包括H橋、串串諧振網絡和不控整流橋，其中H橋由四隻MOSFET開關管S2-S5組成，MOSFET開關管S2和MOSFET開關管S4漏極與電解電容E1正極相連，MOSFET開關管S2的源極與MOSFET開關管S3的漏極、串串網絡諧振電感L1(包括電感L1和相應的等效寄生電阻R1)一端相連，諧振電感L1的另一端與補償電容C1的一端相連，補償電容C1的另一端與MOSFET開關管S4的源極、MOSFET開關管S5的漏極相連，MOSFET開關管S3的漏極、MOSFET開關管S5的漏極與電解電容E1的負極相連，串串諧振網絡的副邊諧振電感L3一端與不控整流橋的二極體D6的陽極、二極體D7的陰極相連，諧振電感L3的另一端與補償電容C2的一端相連，補償電容C2的另一端與二極體D8的陽極、二極體D9的陰極相連，二極體D6的陰極、二極體D8的陰極、電解電容E2的正極、負載RL的一端相連，二極體D7的陽極、二極體D9的陽極、電解電容E2的陰極、負載RL的另一端相連。

本發明的關鍵原理在於：傳統的功率因數校正器採用雙環控制策略，這意味著功率因數校正器的輸出電壓是恆定不變的，因此必須在無線輸電接收端增加輸出電壓或電流調節電路，使輸出符合負載的要求。但是，無線充電最關心的是輸出電壓和電流的情況，功率因數校正器的輸出電壓可以改變，因此本發明增加了第三環輸出能量調節環，該環通過輸出電壓與電流的負反饋作用，動態調節功率因數校正器的輸出電壓以補償負載或原副邊互感改變所帶來的輸出變化，在接收器無源的情況下能夠實現恆壓充電或者恆流充電模式。

本實例中：交流輸入電壓寬範圍，380V±15％，工頻50Hz或60Hz，額定輸入電壓380VAC；

電解電容E1－E2：450V，6800μF，四隻並聯；

二極體D1－D9：600V，300A/100℃；

平波電抗器L1：2.2mH，20A，0.35mm厚，矽鋼；

諧振電感L2、L3：0.47mH，50A，圓形線圈；

MOSFET與反向快恢復二極體S1-S5：600V，250A/100℃，單橋臂MOSFET模塊。

以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變化或修改，這並不影響本發明的實質內容。在不衝突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特徵可以任意相互組合。