三环控制功率因数校正器及控制方法、配套无线充电电路与流程

本发明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。

背景技术：

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，本发明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，本发明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。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明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。

根据本发明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。

根据本发明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V_o^*或恒流充电的电流参考值I_o^*与采样得到的实际电压V_o或电流I_o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V_d^*；

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i_L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V_d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V_o作用在负载上，且实际输出电压与电流信号V_o/I_o再次传回原边，实现闭环工作。

根据本发明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成串串谐振网络的第一输出端，第二补偿电容的另一端构成串串谐振网络的第二输出端；

不控整流桥包括：第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第二电解电容，第六二极管的阳极与第七二极管的阴极相连并连接至串串谐振网络的第一输出端，第八二极管的阳极与第九二极管的阴极相连并连接至串串谐振网络的第二输出端；第六二极管的阴极、第八二极管的阴极与第二电解电容的正极相连；第七二极管的正极、第九二极管的正极与第二电解电容的负极相连；且所述第二电解电容的正极与负极还分别连接至负载的两端。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明中的无线系统接收端无调节装置，省去了有源器件和相应的外围设备，减小了接收器的体积和质量，且电路紧凑损耗小。

2、本发明利用功率因数校正器输出电压调节负载的电压和电流，在副边无调节装置的情况下仍然能够实现恒压或者恒流充电模式。

3、本发明的前级功率因数校正器使得输入电流正弦化，能够获得接近1的功率因数。

4、本发明避免了移相调压的环流问题和变频调压的效率下降问题，同时也能够适当减少逆变器开关管电压应力。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为应用本发明的无线充电的三环控制功率因数校正器的流程示意图；

图2为本发明中无线充电的三环控制功率因数校正器的电路原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的应用于无线充电的三环控制功率因数校正器，及其相配套的大功率无线充电电路。其中，所述应用于无线充电的三环控制功率因数校正器，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输入电压；通过外环调节输出能量，使得即使线圈互感或负载改变，系统也依然能够工作在恒压或者恒流模式。所述大功率无线充电电路包括整流桥、功率因数校正器、无线输电环节和负载，其中，整流桥将工频交流电压整流成直流，功率因数校正器负责功率因数校正与输出能量调节，无线输电环节负责将能量通过磁耦合方式从发射器传输到接收器，并给负载供电。

所述应用于无线充电的三环控制功率因数校正器，包括电流内环、电压中间环、输出能量调节外环。首先，系统给定恒压充电或恒流充电的参考值，该参考值与输出电压/电流采样得到的实际电压或电流做比较，产生的误差信号作为控制器的输入，控制器根据扰动观察法产生功率因数校正器的期望电压，功率因数校正器的期望电压与电压采样所得的功率因数校正器输出电压做比较，所产生的偏差信号经PI调节后作为电流内环的期望电流幅值，输入电压经过电压采样再经过锁相环(PLL)可得到输入电压的相角，所得相角作为正弦函数的输入，而后正弦函数的输出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做比较，所获得的偏差信号通过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，所获得的直流电压作用在负载上，该实际输出电压与电流信号再次传回原边，实现闭环工作。

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。

所述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功率因数校正器的负输出端。

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成串串谐振网络的第一输出端，第二补偿电容的另一端构成串串谐振网络的第二输出端；

不控整流桥包括：第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第二电解电容，第六二极管的阳极与第七二极管的阴极相连并连接至串串谐振网络的第一输出端，第八二极管的阳极与第九二极管的阴极相连并连接至串串谐振网络的第二输出端；第六二极管的阴极、第八二极管的阴极与第二电解电容的正极相连；第七二极管的正极、第九二极管的正极与第二电解电容的负极相连；且所述第二电解电容的正极与负极还分别连接至负载的两端。

如图1所示，本实施例提供一种应用于无线充电的三环控制功率因数校正器和相配套的大功率无线充电电路。应用于无线充电的三环控制功率因数校正器，电流内环、电压中间环、输出能量调节外环。首先，系统给定恒压充电或恒流充电的参考值V_o^*/I_o^*，该参考值与输出电压/电流采样得到的实际电压或电流V_o/I_o做比较，产生的误差信号作为控制器的输入，控制器根据扰动观察法产生功率因数校正器的期望电压V_d^*，功率因数校正器的期望电压V_d^*与电压采样所得的功率因数校正器输出电压V_d做比较，所产生的偏差信号经PI调节后作为电流内环的期望电流幅值，输入电压经过电压采样再经过锁相环(PLL)可得到输入电压的相角wt，所得相角作为正弦函数的输入，而后正弦函数的输出sin(wt)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i_L做比较，所获得的偏差信号通过PI调节后产生PWM信号，驱动MOSFET开关管S1，功率因数校正器的输出电压V_d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V_o作用在负载上，该实际输出电压与电流信号V_o/I_o再次传回原边，实现闭环工作。

所述整流桥包括四只二极管D1-D4，工频交流电源V_in的一端与二极管阳极D1、二极管D2的阴极相连，工频交流电源V_in的另一端与二极管D3的阳极、二极管D4的阴极相连，二极管D1、二极管D3的阴极相连形成直流输入正极，二极管D2、二极管D4的阳极相连形成直流输入负极；

所述功率因数校正器，包括一只电感L1、一只MOSFET开关管S1和一只二极管D5，电感L1的一端与整流桥的正极相连，另一端与MOSFET开关管S1的漏极、二极管D5的阳极相连，二极管D5的阴极与电解电容E1的正极相连形成电压源逆变器的正极，MOSFET开关管S1的源极与整流桥的负极和电解电容E1的负极相连形成电压源逆变器的负极；

所述无线输电环节包括H桥、串串谐振网络和不控整流桥，其中H桥由四只MOSFET开关管S2-S5组成，MOSFET开关管S2和MOSFET开关管S4漏极与电解电容E1正极相连，MOSFET开关管S2的源极与MOSFET开关管S3的漏极、串串网络谐振电感L1(包括电感L1和相应的等效寄生电阻R1)一端相连，谐振电感L1的另一端与补偿电容C1的一端相连，补偿电容C1的另一端与MOSFET开关管S4的源极、MOSFET开关管S5的漏极相连，MOSFET开关管S3的漏极、MOSFET开关管S5的漏极与电解电容E1的负极相连，串串谐振网络的副边谐振电感L3一端与不控整流桥的二极管D6的阳极、二极管D7的阴极相连，谐振电感L3的另一端与补偿电容C2的一端相连，补偿电容C2的另一端与二极管D8的阳极、二极管D9的阴极相连，二极管D6的阴极、二极管D8的阴极、电解电容E2的正极、负载RL的一端相连，二极管D7的阳极、二极管D9的阳极、电解电容E2的阴极、负载RL的另一端相连。

本发明的关键原理在于：传统的功率因数校正器采用双环控制策略，这意味着功率因数校正器的输出电压是恒定不变的，因此必须在无线输电接收端增加输出电压或电流调节电路，使输出符合负载的要求。但是，无线充电最关心的是输出电压和电流的情况，功率因数校正器的输出电压可以改变，因此本发明增加了第三环输出能量调节环，该环通过输出电压与电流的负反馈作用，动态调节功率因数校正器的输出电压以补偿负载或原副边互感改变所带来的输出变化，在接收器无源的情况下能够实现恒压充电或者恒流充电模式。

本实例中：交流输入电压宽范围，380V±15％，工频50Hz或60Hz，额定输入电压380VAC；

电解电容E1－E2：450V，6800μF，四只并联；

二极管D1－D9：600V，300A/100℃；

平波电抗器L1：2.2mH，20A，0.35mm厚，硅钢；

谐振电感L2、L3：0.47mH，50A，圆形线圈；

MOSFET与反向快恢复二极管S1-S5：600V，250A/100℃，单桥臂MOSFET模块。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。