三環控制功率因數校正器的控制方法技術

本發明專利技術提供了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，包括：通過內環調節使輸入電流跟隨輸入電壓相位，并且使其波形正弦化，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，但是依然能夠工作在恒壓或者恒流充電模式。本發明專利技術具有無線系統接收端無DC?DC調節裝置、電路緊湊損耗小、功率因數高和輸出電壓與電流可調等優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及大功率無線充電領域，具體地，涉及一種應用于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。
技術介紹
在過去十年，智能手機、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游世界，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，也因此制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，通常包括恒壓充電模式和恒流充電模式，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于大功率產品，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，本專利技術提出一種應用于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。經過對應用于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后發現，現有的控制方法都是采用雙環控制方法，未能有效利用功率因數校正器的功能，因此，本專利技術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。
技術實現思路
針對現有技術中的缺陷，本專利技術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。根據本專利技術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、第五二極管以及第一電解電容，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、第五二極管的陽極相連，第五二極管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。根據本專利技術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：根據給定的恒壓充電電壓參考值Vo*或恒流充電的電流參考值Io*與采樣得到的實際電壓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：將采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采樣所獲得的當前時刻流過第一電感的實際電流iL做比較后得到偏差信號，所述偏差信號通過PI調節后產生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后，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。根據本專利技術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于功率因數校正與輸出能量的調節，無線輸電環節用于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：第一二極管、第二二極管、第三二極管、第四二極管，工頻交流電源的一端與第一二極管的陽極、第二二極管的陰極相連，工頻交流電源的另一端與第三二極管的陽極、第四二極管的陰極相連，第一二極管、第三二極管的陰極相連構成整流橋的正輸出端，第二二極管、第四二極管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、第五二極管以及第一電解電容，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、第五二極管的陽極相連，第五二極管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本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種三環控制功率因數校正器，其特征在于，包括：第一電感、第一MOSFET開關管、第五二極管以及第一電解電容，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、第五二極管的陽極相連，第五二極管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。

【技術特征摘要】
1.一種三環控制功率因數校正器，其特征在于，包括：第一電感、第一MOSFET開關管、第五二極管以及第一電解電容，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、第五二極管的陽極相連，第五二極管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。2.一種三環控制功率因數校正器的控制方法，其特征在于，包括如下步驟：外環輸出能量調節步驟：根據給定的恒壓充電電壓參考值Vo*或恒流充電的電流參考值Io*與采樣得到的實際電壓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：將采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采樣所獲得的當前時刻流過第一電感的實際電流iL做比較后得到偏差信號，所述偏差信號通過PI調節后產生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后，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。3.一種三環控制功率因數校正器的配套無線充電電路，其特征在于，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于功率因數校正與輸出能量的調節，無線輸電環節用于將能量通過磁耦合方式傳輸至負載端。4.根據權利要求3所述的三環控制功率因數校正器的配套無線充電電路，其特征在于，所述整流橋包括：第一二極管、第二二極管、第三二極管、第四二極管，工頻交流電源的一端與第一二極管的陽極、第二二極管的陰極相連，工頻交流電源的另一端與第三二極管的陽極、第四二極管的陰極相連，第一二極管、第三二極管的陰極相連構成整流橋的正輸出端，第二二極管、第四二極管陰極相連構成整流橋的負輸出端。5.根據權利要求3所述的三環控制功率因數校正...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉鑫，劉晨蕾，王天風，楊喜軍，唐厚君，
申請(專利權)人：上海交通大學，
類型：發明
國別省市：上海;31