一种用于无线充电系统的无桥图腾柱型PFC电源电路及其控制方法与流程

一种用于无线充电系统的无桥图腾柱型pfc电源电路及其控制方法
技术领域
1.本发明涉及一种用于无线充电系统的无桥图腾柱型pfc电源电路及其控制方法。


背景技术：

2.由于经济原因和对环境的关注，电力转换系统效率变得越来越重要。80plus中定义的效率级别需要达到96％才能获得钛金等级认证。要实现如此之高的效率，使用传统拓扑的电源公司将面临巨大的设计挑战。
3.一个离线电源由功率因数校正(pfc)和一个dc/dc转换器组成。pfc强制输入电流随输入电压的变化而变化，这样的话，任何的电器负载将表现为一个电阻器。为了提高效率，人们已经研究了不同的pfc拓扑，其中包括传统pfc、半无桥式pfc、双向无桥pfc和图腾柱无桥pfc。在所有这些不同的pfc拓扑中，由于其使用的组件数量最少、具有最低传导损耗，并且提供的效率最高，图腾柱pfc引起了人们越来越多的关注。
4.lcc型无线充电系统需要一个稳定而且可控的输入直流电源作为能源，由于无线充电系统的参数敏感性，所以对于pfc开关电源的emc和电力传导损耗等要求会比较高。因此，需要一种更高效而且电磁干扰更小的pfc作为ac-dc变换器来作为前端。而图腾柱pfc是一个非常合适的拓扑选择。
5.虽然图腾柱pfc的概念已经存在了很多年，技术方面的应用挑战妨碍了它的广泛使用。
6.首先，由于mosfet体二极管的慢反向恢复，图腾柱pfc无法在连续传导模式(ccm)中运行。其次，图腾柱pfc拓扑中有一个固有问题：输入电流在ac零交叉上有一个巨大尖峰。这些尖峰破坏了电流波形，并且使总谐波失真(thd)无法达到技术规格的要求。第三，q3和q4在每半个ac周期内的pfc激活开关与同步整流开关之间交替切换。这个交替切换需要控制器能够根据正或负的ac周期提供一个具有d(占空比)或1-d的脉宽调制(pwm)波形。
7.这些问题都会制约图腾柱pfc技术应用在无线充电系统上面，因此需要对原来的拓扑进行改进，而且需要开发出新的高级控制算法，来控制其中的开关以特殊的顺序打开，并且每个开关执行一个软启动机制，由此来使电流尖峰被大大地减少。


技术实现要素：

8.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种成本低廉、结构简单、应用于无线充电系统中的能够降低总谐波失真还能提升无线充电系统的图腾柱pfc电源电路极其控制方法。
9.本发明中的用于无线充电系统的无桥图腾柱型pfc电源电路包括交流电源v
ac
、电感lm1、电感lm2、第一高速功率桥臂、第二高速功率桥臂、慢速整流桥臂、输出滤波电容c、负载电阻r以及电压输出v，所述电感lm1以及所述电感lm2各自的正极分别与所述交流电源v
ac
的正极电连接，所述电感lm1与所述电感lm2并联，所述第一高速功率桥臂、所述第二高速功
率桥臂并联、所述慢速整流桥臂、所述输出滤波电容c、所述负载电阻r以及所述电压输出v依次并联，所述电感lm1的负极与所述第一高速功率桥臂电连接，所述电感lm2的负极与所述第二高速功率桥臂电连接，所述交流电源v
ac
的负极与慢速整流桥臂电连接。
10.所述第一高速功率桥臂包括第一mosfet管以及第二mosfet管，所述第一mosfet管的源极s与所述第二mosfet管的漏极d电连接，所述电感lm1的负极分别与所述第一mosfet管的源极s以及所述第二mosfet管的漏极d电连接。
11.所述第二高速功率桥臂包括第三mosfet管以及第四mosfet管，所述第三mosfet管的源极s与所述第四mosfet管的漏极d电连接，所述电感lm2的负极分别与所述第三mosfet管的源极s以及所述第四mosfet管的漏极d电连接。
12.所述慢速整流桥臂包括第五mosfet管以及第六mosfet管，所述第五mosfet管的源极s与所述第六mosfet管的漏极d电连接，所述交流电源v
ac
的负极分别与所述第五mosfet管的源极s以及所述第六mosfet管的漏极d电连接。
13.所述第一mosfet管的漏极d、所述第三mosfet管的漏极d、所述第五mosfet管的漏极d、所述输出滤波电容c的正极、所述负载电阻r的正极以及电压输出v的正极相互电连接，所述第二mosfet管的源极s、所述第四mosfet管的源极s、所述第六mosfet管的源极s、所述输出滤波电容c的负极、所述负载电阻r的负极以及电压输出v的负极相互电连接。
14.本发明中用上述无桥图腾柱型pfc电源电路来实现的用于无线充电系统的无桥图腾柱型pfc电源控制方法，包括以下步骤：
15.a.开机启动所述无桥图腾柱型pfc电源；
16.b.设定电压提升斜率，输出电压从零开始提升；
17.c.判断输出电压的稳压情况，如果过压或欠压，返回步骤b修改电压提升斜率，并重新进行电压的稳压判断，直至输出电压判断为稳压；
18.d.输出电压判断为稳压后，判断输出电压值是否达到标准值，如没有达到标准值则继续进行电压提升，直至输出电压达到标准值，输出电压值达到标准值则后结束开机阶段进入工作阶段；
19.e.判断工作区间，对应三种阶段，分别使用不同的控制算法：正常工作状态下使用正常工作算法；ac交流电压从正半周变换到负半周的期间，使用正-负算法；ac交流电压从负半周变换到正半周期间使用负-正算法；
20.f.完成算法计算并输出相应的控制量；
21.g.根据控制量完成相应的驱动动作；
22.h.判断步骤g的得出的驱动动作是否为关机动作，如果是则执行关机动作，如果不是则返回到步骤e继续进行工作区间的判断。
23.步骤e中的正常工作状态下使用的正常工作算法的方式包括以下步骤：
24.e11.分别对所述一种用于无线充电系统的无桥图腾柱型pfc电源电路的中的电感电流i
lm
、交流电压v
ac
和输出电压v
out
的采样数值后再进行处理和变换之后输入到控制环路中；
25.e12.将所述输出电压v
out
和目标值进行比较并得到输出电压误差v
out_err
，并输出到电压环pi中进行比例积分运算，得到输出电压的控制量；
26.e13.电压环pi输出控制量到乘法器中，进行相应的乘法运算得到目标功率值的控
制量；
27.e14.目标功率值的控制量与所述交流电压v
ac
的比例运算之后的数值进行乘法运算，计算得到电感电流的控制量同时进行鉴相；
28.e15.乘法鉴相之后得到电感电流的控制量，与所述电感电流i
lm
的采样值进行比较，然后进入电流环pi进行pi运算，最后得到电流环pi的输出控制量；
29.e16.根据最后的电流环pi的输出控制量进行pwm生成，得到相应的高速桥臂驱动信号；
30.e17.慢速管在正常运行模式下是根据所述交流电压v
ac
的正负值来进行驱动的，在所述交流电压v
ac
为正值的时候，所述第五mosfet管的q1为关，所述第六mosfet管的q2为开，在交流电压vac为负值的时候，所述第五mosfet管的q1为开，所述第六mosfet管的q2为关。
31.步骤e中的ac交流电压从负半周变换到正半周期间使用正-负算法的方式包括以下步骤：
32.e21.分别对所述一种用于无线充电系统的无桥图腾柱型pfc电源电路的中的电感电流i
lm
、交流电压v
ac
和输出电压v
out
的采样数值后再进行处理和变换之后输入到控制环路中；
33.e22.将所述输出电压v
out
和目标值进行比较并得到输出电压误差v
out_err
，并输出到电压环pi中进行比例积分运算，得到输出电压的控制量；
34.e23.电压环pi输出控制量到乘法器中，进行相应的乘法运算得到目标功率值的控制量；
35.e24.底部环路产生一个斜率是正的三角斜波，所述三角斜波可以控制斜波斜率，斜波时间和斜波使能三个参数，并产生相应的三角波；
36.e25.通过乘法器，把正的三角斜波信号和功率值的控制量计算值的型号相叠加，得到一个按斜波比例变化的功率值的控制量计算值；
37.e26.斜波叠加之后的控制量驱动所述第一高速功率桥臂以及所述第二高速功率桥臂，但是只把驱动信号给到所述第二mosfet管以及所述第四mosfet管的q3，即两个高速功率桥臂的下管；
38.e27.所述第一mosfet管以及所述第三mosfet管的q4的驱动信号保持为0，即没有驱动电平；
39.e28.所述慢速整流桥臂此时是处于死区，所述第五mosfet管以及所述第六mosfet管的驱动信号均为0，即没有驱动电平。
40.步骤e中的ac交流电压从负半周变换到正半周期间使用负-正算法的方式包括以下步骤：
41.e31.分别对所述一种用于无线充电系统的无桥图腾柱型pfc电源电路的中的电感电流i
lm
、交流电压v
ac
和输出电压v
out
的采样数值后再进行处理和变换之后输入到控制环路中；
42.e32.将所述输出电压v
out
和目标值进行比较并得到输出电压误差v
out_err
，并输出到电压环pi中进行比例积分运算，得到输出输出电压的控制量；
43.e33.电压环pi输出控制量到乘法器中，进行相应的乘法运算得到目标功率值的控制量；
44.e34.底部环路产生一个斜率是正的三角斜波，所述三角斜波可以控制斜波斜率，斜波时间和斜波使能三个参数，并产生相应的三角波；
45.e35.通过乘法器，把正的三角斜波信号和功率值的控制量计算值的型号相叠加，得到一个按斜波比例变化的功率值的控制量计算值；
46.e36.斜波叠加之后的控制量来驱动所述第一高速功率桥臂以及所述第二高速功率桥臂，但是只把驱动信号给到所述第一mosfet管以及所述第三mosfet管的q4，即两个高速功率桥臂的上管；
47.e37.高速功率桥臂的第二mosfet管以及所述第四mosfet管的q3的驱动信号保持为0，即没有驱动电平；
48.e38.所述慢速整流桥臂此时是处于死区，所述第五mosfet管以及所述第六mosfet管的驱动信号均为0，即没有驱动电平。
49.有益效果：本发明改进了图腾柱pfc技术，改为一种图腾柱的衍生拓扑，并应用在无线充电系统上面；即使不使用氮化镓(gan)fet等器件，用传统的mosfet器件也能使图腾柱pfc运行在连续传导模式(ccm)中运行；减低甚至消除输入电流在ac零交叉的巨大尖峰，从而降低总谐波失真(thd)，让图腾柱pfc可以应用于无线充电系统中；功率管在每半个ac周期内的pfc激活开关与同步整流开关之间交替切换。形成与无线充电应用相适应的软开关技术，根据正或负的ac电压周期情况来控制功率管的pwm波形，从而提升无线充电系统的性能。
附图说明
50.图1是传统的图腾柱pfc电路原理示意图；
51.图2是本发明中的用于无线充电系统的无桥图腾柱型pfc电源电路的电路原理示意图；
52.图3是本发明中的用于无线充电系统的无桥图腾柱型pfc电源的控制方法的流程示意图；
53.图4是本发明处于正常工作状态下的控制环路框图；
54.图5是本发明在ac交流电压从正半周变换到负半周期间所使的用正-负算法示意图；
55.图6是本发明在ac交流电压从负半周变换到正半周期间，所使用负-正算法示意图。
具体实施方式
56.如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，本发明中的用于无线充电系统的无桥图腾柱型pfc电源电路包括交流电源v
ac
、电感lm1、电感lm2、第一高速功率桥臂、第二高速功率桥臂、慢速整流桥臂、输出滤波电容c、负载电阻r以及电压输出v，所述电感lm1以及所述电感lm2各自的正极分别与所述交流电源v
ac
的正极电连接，所述电感lm1与所述电感lm2并联，所述第一高速功率桥臂、所述第二高速功率桥臂并联、所述慢速整流桥臂、所述输出滤波电容c、所述负载电阻r以及所述电压输出v依次并联，所述电感lm1的负极与所述第一高速功率桥臂电连接，所述电感lm2的负极与所述第二高速功率桥臂电连接，所述交流电源v
ac
的负极
与慢速整流桥臂电连接。
57.所述第一高速功率桥臂包括第一mosfet管以及第二mosfet管，所述第一mosfet管的源极s与所述第二mosfet管的漏极d电连接，所述电感lm1的负极分别与所述第一mosfet管的源极s以及所述第二mosfet管的漏极d电连接。
58.所述第二高速功率桥臂包括第三mosfet管以及第四mosfet管，所述第三mosfet管的源极s与所述第四mosfet管的漏极d电连接，所述电感lm2的负极分别与所述第三mosfet管的源极s以及所述第四mosfet管的漏极d电连接。
59.所述慢速整流桥臂包括第五mosfet管以及第六mosfet管，所述第五mosfet管的源极s与所述第六mosfet管的漏极d电连接，所述交流电源v
ac
的负极分别与所述第五mosfet管的源极s以及所述第六mosfet管的漏极d电连接。
60.所述第一mosfet管的漏极d、所述第三mosfet管的漏极d、所述第五mosfet管的漏极d、所述输出滤波电容c的正极、所述负载电阻r的正极以及电压输出v的正极相互电连接，所述第二mosfet管的源极s、所述第四mosfet管的源极s、所述第六mosfet管的源极s、所述输出滤波电容c的负极、所述负载电阻r的负极以及电压输出v的负极相互电连接。
61.本发明中图腾柱pfc的主拓扑与传统图腾柱pfc的区别主要如下：
62.高速功率桥臂由原来的一个增加到了两个，相应的电感数量也增加到两个，这提升了输入交流电流i
ac
的大小，提升了输出功率；
63.传统拓扑中的整流二极管被慢速整流桥臂替代，用于整流，同时也可以用于实现高级控制算法来改进电路，降低电磁辐射和干扰，使之可以更适用于无线充电系统中；
64.输入交流电流ilm采样点设在两个电感的公共端，用于采集高速功率桥臂所控制的总电感电流；
65.采样交流输入电压v
ac
和输出电压v
out
，用于进行环路计算。
66.本发明中用上述无桥图腾柱型pfc电源电路来实现的用于无线充电系统的无桥图腾柱型pfc电源控制方法，本方法需要根据系统的运行情况来进行判断，并根据判断结果执行相应的控制算法，本方法包括以下步骤：
67.a.开机启动所述无桥图腾柱型pfc电源；
68.b.设定电压提升斜率，输出电压从零开始提升；
69.c.判断输出电压的稳压情况，如果过压或欠压，返回步骤b修改电压提升斜率，并重新进行电压的稳压判断，直至输出电压判断为稳压；
70.d.输出电压判断为稳压后，判断输出电压值是否达到标准值，如没有达到标准值则继续进行电压提升，直至输出电压达到标准值，输出电压值达到标准值则后结束开机阶段进入工作阶段；
71.e.判断工作区间，对应三种阶段，分别使用不同的控制算法：正常工作状态下使用正常工作算法；ac交流电压从正半周变换到负半周期间，使用正-负算法；ac交流电压从负半周变换到正半周期间使用负-正算法；
72.f.完成算法计算并输出相应的控制量；
73.g.根据控制量完成相应的驱动动作；
74.h.判断步骤g的得出的驱动动作是否为关机动作，如果是则执行关机动作，如果不是则返回到步骤e继续进行工作区间的判断。
75.图4是本发明的正常工作状态下的控制环路框图展现本发明在正常工作下的控制环路情况，即是除了以下情况以外的运作过程都遵循该控制环路的计算来进行，但是其它情况下会执行相关的算法。
76.步骤e中的正常工作状态下使用的正常工作算法的方式包括以下步骤：
77.e11.分别对所述一种用于无线充电系统的无桥图腾柱型pfc电源电路的中的电感电流i
lm
、交流电压v
ac
和输出电压v
out
的采样数值后再进行处理和变换之后输入到控制环路中；
78.e12.将所述输出电压v
out
和目标值进行比较并得到输出电压误差v
out_err
，并输出到电压环pi中进行比例积分运算，得到输出电压的控制量；
79.e13.电压环pi输出控制量到乘法器中，进行相应的乘法运算得到目标功率值的控制量；
80.e14.目标功率值的控制量与所述交流电压v
ac
的比例运算之后的数值进行乘法运算，计算得到电感电流的控制量同时进行鉴相；
81.e15.乘法鉴相之后得到电感电流的控制量，与所述电感电流i
lm
的采样值进行比较，然后进入电流环pi进行pi运算，最后得到电流环pi的输出控制量；
82.e16.根据最后的电流环pi的输出控制量进行pwm生成，得到相应的高速桥臂驱动信号；
83.e17.慢速管在正常运行模式下是根据所述交流电压v
ac
的正负值来进行驱动的，在所述交流电压v
ac
为正值的时候，所述第五mosfet管的q1为关，所述第六mosfet管的q2为开，在交流电压vac为负值的时候，所述第五mosfet管的q1为开，所述第六mosfet管的q2为关。
84.步骤e中的ac交流电压从负半周变换到正半周期间使用正-负算法的方式包括以下步骤：
85.e21.分别对所述一种用于无线充电系统的无桥图腾柱型pfc电源电路的中的电感电流i
lm
、交流电压v
ac
和输出电压v
out
的采样数值后再进行处理和变换之后输入到控制环路中；
86.e22.将所述输出电压v
out
和目标值进行比较并得到输出电压误差v
out_err
，并输出到电压环pi中进行比例积分运算，得到输出电压的控制量；
87.e23.电压环pi输出控制量到乘法器中，进行相应的乘法运算得到目标功率值的控制量；
88.e24.底部环路产生一个斜率是正的三角斜波，所述三角斜波可以控制斜波斜率，斜波时间和斜波使能三个参数，并产生相应的三角波；
89.e25.通过乘法器，把正的三角斜波信号和功率值的控制量计算值的型号相叠加，得到一个按斜波比例变化的功率值的控制量计算值；
90.e26.斜波叠加之后的控制量驱动所述第一高速功率桥臂以及所述第二高速功率桥臂，但是只把驱动信号给到所述第二mosfet管以及所述第四mosfet管的q3，即两个高速功率桥臂的下管；
91.e27.所述第一mosfet管以及所述第三mosfet管的q4的驱动信号保持为0，即没有驱动电平；
92.e28.所述慢速整流桥臂此时是处于死区，所述第五mosfet管以及所述第六mosfet
管的驱动信号均为0，即没有驱动电平。
93.步骤e中的ac交流电压从负半周变换到正半周期间使用负-正算法的方式包括以下步骤：
94.e31.分别对所述一种用于无线充电系统的无桥图腾柱型pfc电源电路的中的电感电流i
lm
、交流电压v
ac
和输出电压v
out
的采样数值后再进行处理和变换之后输入到控制环路中；
95.e32.将所述输出电压v
out
和目标值进行比较并得到输出电压误差v
out_err
，并输出到电压环pi中进行比例积分运算，得到输出电压的控制量；
96.e33.电压环pi输出控制量到乘法器中，进行相应的乘法运算得到目标功率值的控制量；
97.e34.底部环路产生一个斜率是正的三角斜波，所述三角斜波可以控制斜波斜率，斜波时间和斜波使能三个参数，并产生相应的三角波；
98.e35.通过乘法器，把正的三角斜波信号和功率值的控制量计算值的型号相叠加，得到一个按斜波比例变化的功率值的控制量计算值；
99.e36.斜波叠加之后的控制量来驱动所述第一高速功率桥臂以及所述第二高速功率桥臂，但是只把驱动信号给到所述第一mosfet管以及所述第三mosfet管的q4，即两个高速功率桥臂的上管；
100.e37.高速功率桥臂的第二mosfet管以及所述第四mosfet管的q3的驱动信号保持为0，即没有驱动电平；
101.e38.所述慢速整流桥臂此时是处于死区，所述第五mosfet管以及所述第六mosfet管的驱动信号均为0，即没有驱动电平。
102.本发明适用于电力电子技术领域中的用于无线充电系统的前端的ac-dc变换的开关电源技术。