三环控制功率因数校正器的控制方法技术

本发明专利技术提供了一种三环控制功率因数校正器及控制方法、配套无线充电电路，包括：通过内环调节使输入电流跟随输入电压相位，并且使其波形正弦化，从而获得接近1的功率因数；通过中间环调节功率因数校正器的直流输出电压，获得所需要的逆变器电压；通过外环调节输出能量，使得即使线圈互感或负载改变，但是依然能够工作在恒压或者恒流充电模式。本发明专利技术具有无线系统接收端无DC‑DC调节装置、电路紧凑损耗小、功率因数高和输出电压与电流可调等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及大功率无线充电领域，具体地，涉及一种应用于无线充电的三环控制功率因数校正器及其控制方法、配套无线充电电路。
技术介绍
在过去十年，智能手机、手提电脑等消费类电子产品指数式增加，人们通过无线网络畅游世界，享受着科技进步带来的福利。然而，不便捷的充电体验一直困扰着大众，因此无线充电技术受到了学术界和科技工业界的广泛关注，也因此制造出了许多无线充电的消费类电子产品、无线供电的嵌入式设备，甚至是无线充电的电动汽车。近几年，无线充电式电动汽车成为一个很热的研究课题，但是目前仍然存在诸多需要解决的问题。首先，电池对充电波形有特殊的要求，通常包括恒压充电模式和恒流充电模式，这就要求需要设计能量输出调节电路；其次，电动汽车充电设备属于大功率产品，电力系统对其功率因数有严格的要求，因此网侧电流必须要能够与电网电压同步，且波形正弦化，这就必然要在前级添加功率因数校正器；再者，从原边到副边的无线电能传输环节也会造成部分能量损耗。因此，提出一种紧凑的电路拓扑以提高大功率无线充电系统的整体效率是一个亟待解决的问题。综合以上，本专利技术提出一种应用于无线充电的三环控制功率因数校正器，旨在通过对功率因数校正器的控制，实现网侧单位功率因数以及输出电压与电流可调的功能，达到去除副边DC-DC调节装置的目的，从而提高系统的整体效率。经过对应用于无线充电的三环控制功率因数校正器现有技术的检索，发现主要有以下代表性文献：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.7436-7447,2015.一文提出了无线电动汽车的普遍设计方案，即包括整流桥、功率因数校正器、无线输电环节与副边DC-DC电路，但是副边DC-DC电路是有源的，需要相应的控制器、散热风扇、驱动电路和供电电源，这必然会增加车载充电器的体积和重量，更为严重的是它会造成功率损耗，影响系统的整体效率；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变器的工作频率，调节输出能量，但是无线充电环节在系统工作在谐振频率附近时才能达到最优效率，频率调节虽然能够达到输出能量调节的作用，但是这种方法会造成效率下降。综合以上，对功率因数校正器现有技术的检索后发现，现有的控制方法都是采用双环控制方法，未能有效利用功率因数校正器的功能，因此，本专利技术提出三环控制的功率因数校正器，能够省去副边的DC-DC电路，实现紧凑无线充电系统的设计。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种三环控制功率因数校正器及控制方法、配套无线充电电路。根据本专利技术提供的三环控制功率因数校正器，包括：第一电感、第一MOSFET开关管、第五二极管以及第一电解电容，第一电感的一端构成三环控制功率因数校正器的正输入端，第一电感的另一端与第一MOSFET开关管的漏极、第五二极管的阳极相连，第五二极管的阴极与第一电解电容的正极相连构成三环控制功率因数校正器的正输出端，第一MOSFET开关管的源极构成三环控制功率因数校正器的负输入端，第一电解电容的负极构成三环控制功率因数校正器的负输出端。根据本专利技术提供的三环控制功率因数校正器的控制方法，包括如下步骤：外环输出能量调节步骤：根据给定的恒压充电电压参考值Vo*或恒流充电的电流参考值Io*与采样得到的实际电压Vo或电流Io做比较，得到误差信号，所述误差信号作为控制器的输入信号，由控制器输出功率因数校正器的期望电压Vd*；电压中间环调节步骤：将采样得到的电压输入至锁相环，得到输入电压的相角wt，所述相角wt作为正弦函数的输入，由正弦函数的输出sin(wt)形式的电流；电流内环调节步骤：sin(wt)形式的电流与期望电流幅值组成当前时刻流过第一电感的期望电流，当前时刻流过第一电感的期望电流与经过电流采样所获得的当前时刻流过第一电感的实际电流iL做比较后得到偏差信号，所述偏差信号通过PI调节后产生PWM信号驱动第一MOSFET开关管，功率因数校正器的输出电压Vd作为无线输电网络的输入，经过高频逆变、无线传输和高频整流后，所获得的直流电压Vo作用在负载上，且实际输出电压与电流信号Vo/Io再次传回原边，实现闭环工作。根据本专利技术提供的三环控制功率因数校正器的配套无线充电电路，包括：整流桥、三环控制功率因数校正器、无线输电环节，其中，整流桥将工频交流电压整流成直流，三环控制功率因数校正器用于功率因数校正与输出能量的调节，无线输电环节用于将能量通过磁耦合方式从传输至负载端。优选地，所述整流桥包括：第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管，工频交流电源的一端与第一二极管的阳极、第二二极管的阴极相连，工频交流电源的另一端与第三二极管的阳极、第四二极管的阴极相连，第一二极管、第三二极管的阴极相连构成整流桥的正输出端，第二二极管、第四二极管阴极相连构成整流桥的负输出端。优选地，所述三环控制功率因数校正器包括：第一电感、第一MOSFET开关管、第五二极管以及第一电解电容，第一电感的一端与整流桥的正输出端相连，第一电感的另一端与第一MOSFET开关管的漏极、第五二极管的阳极相连，第五二极管的阴极与第一电解电容的正极相连构成三环控制功率因数校正器的正输出端，第一MOSFET开关管的源极与整流桥的负输出端相连，第一电解电容的负极构成三环控制功率因数校正器的负输出端。优选地，所述无线输电环节包括：H桥、串串谐振网络以及不控整流桥，其中：H桥包括：第二MOSFET开关管、第三MOSFET开关管、第四MOSFET开关管、第五MOSFET开关管；第二MOSFET开关管的漏极、第四MOSFET开关管的漏极与功率因数校正器的正输出端相连，第二MOSFET开关管的源极与第三MOSFET开关管的漏极相连，第四MOSFET开关管的源极与第五MOSFET开关管的漏极相连，第三MOSFET开关管的源极、第五MOSFET开关管的源极连接至功率因数校正器的负输出端；第二MOSFET开关管的源极构成H桥的第一输出端，第四MOSFET开关管的源极构成H桥的第二输出端；串串谐振网络包括：第一等效寄生电阻、第二谐振电感、第一补偿电容、第二等效寄生电阻、第三谐振电感、第二补偿电容，第一等效寄生电阻的一端连接至H桥的第一输出端，第一等效寄生电阻的另一端通过第二谐振电感连接至第一补偿电容的一端，第一补偿电容的另一端连接至H桥的第二输出端；第二谐振电感与第三谐振电感之间存在耦合，实现无线电能传输；第三谐振电感的一端连接至第二等效寄生电阻的一端，第三谐振电感的另一端连接至第二补偿电容的一端，第二等效寄生电阻的另一端构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三环控制功率因数校正器，其特征在于，包括：第一电感、第一MOSFET开关管、第五二极管以及第一电解电容，第一电感的一端构成三环控制功率因数校正器的正输入端，第一电感的另一端与第一MOSFET开关管的漏极、第五二极管的阳极相连，第五二极管的阴极与第一电解电容的正极相连构成三环控制功率因数校正器的正输出端，第一MOSFET开关管的源极构成三环控制功率因数校正器的负输入端，第一电解电容的负极构成三环控制功率因数校正器的负输出端。

【技术特征摘要】
1.一种三环控制功率因数校正器，其特征在于，包括：第一电感、第一MOSFET开关管、第五二极管以及第一电解电容，第一电感的一端构成三环控制功率因数校正器的正输入端，第一电感的另一端与第一MOSFET开关管的漏极、第五二极管的阳极相连，第五二极管的阴极与第一电解电容的正极相连构成三环控制功率因数校正器的正输出端，第一MOSFET开关管的源极构成三环控制功率因数校正器的负输入端，第一电解电容的负极构成三环控制功率因数校正器的负输出端。2.一种三环控制功率因数校正器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：外环输出能量调节步骤：根据给定的恒压充电电压参考值Vo*或恒流充电的电流参考值Io*与采样得到的实际电压Vo或电流Io做比较，得到误差信号，所述误差信号作为控制器的输入信号，由控制器输出功率因数校正器的期望电压Vd*；电压中间环调节步骤：将采样得到的电压输入至锁相环，得到输入电压的相角wt，所述相角wt作为正弦函数的输入，由正弦函数的输出sin(wt)形式的电流；电流内环调节步骤：sin(wt)形式的电流与期望电流幅值组成当前时刻流过第一电感的期望电流，当前时刻流过第一电感的期望电流与经过电流采样所获得的当前时刻流过第一电感的实际电流iL做比较后得到偏差信号，所述偏差信号通过PI调节后产生PWM信号驱动第一MOSFET开关管，功率因数校正器的输出电压Vd作为无线输电网络的输入，经过高频逆变、无线传输和高频整流后，所获得的直流电压Vo作用在负载上，且实际输出电压与电流信号Vo/Io再次传回原边，实现闭环工作。3.一种三环控制功率因数校正器的配套无线充电电路，其特征在于，包括：整流桥、三环控制功率因数校正器、无线输电环节，其中，整流桥将工频交流电压整流成直流，三环控制功率因数校正器用于功率因数校正与输出能量的调节，无线输电环节用于将能量通过磁耦合方式传输至负载端。4.根据权利要求3所述的三环控制功率因数校正器的配套无线充电电路，其特征在于，所述整流桥包括：第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管，工频交流电源的一端与第一二极管的阳极、第二二极管的阴极相连，工频交流电源的另一端与第三二极管的阳极、第四二极管的阴极相连，第一二极管、第三二极管的阴极相连构成整流桥的正输出端，第二二极管、第四二极管阴极相连构成整流桥的负输出端。5.根据权利要求3所述的三环控制功率因数校正...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘鑫，刘晨蕾，王天风，杨喜军，唐厚君，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31