本發(fā)明涉及大功率無線充電領(lǐng)域，具體地，涉及一種應(yīng)用于無線充電的三環(huán)控制功率因數(shù)校正器及其控制方法、配套無線充電電路。

背景技術(shù)：

在過去十年，智能手機、手提電腦等消費類電子產(chǎn)品指數(shù)式增加，人們通過無線網(wǎng)絡(luò)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(shù)受到了學(xué)術(shù)界和科技工業(yè)界的廣泛關(guān)注，也因此制造出了許多無線充電的消費類電子產(chǎn)品、無線供電的嵌入式設(shè)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(shè)計能量輸出調(diào)節(jié)電路；其次，電動汽車充電設(shè)備屬于大功率產(chǎn)品，電力系統(tǒng)對其功率因數(shù)有嚴(yán)格的要求，因此網(wǎng)側(cè)電流必須要能夠與電網(wǎng)電壓同步，且波形正弦化，這就必然要在前級添加功率因數(shù)校正器；再者，從原邊到副邊的無線電能傳輸環(huán)節(jié)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(tǒng)的整體效率是一個亟待解決的問題。

綜合以上，本發(fā)明提出一種應(yīng)用于無線充電的三環(huán)控制功率因數(shù)校正器，旨在通過對功率因數(shù)校正器的控制，實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)以及輸出電壓與電流可調(diào)的功能，達到去除副邊DC-DC調(diào)節(jié)裝置的目的，從而提高系統(tǒng)的整體效率。

經(jīng)過對應(yīng)用于無線充電的三環(huán)控制功率因數(shù)校正器現(xiàn)有技術(shù)的檢索，發(fā)現(xiàn)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(shè)計方案，即包括整流橋、功率因數(shù)校正器、無線輸電環(huán)節(jié)與副邊DC-DC電路，但是副邊DC-DC電路是有源的，需要相應(yīng)的控制器、散熱風(fēng)扇、驅(qū)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(yán)重的是它會造成功率損耗，影響系統(tǒng)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(diào)節(jié)輸出能量，但是無線充電環(huán)節(jié)在系統(tǒng)工作在諧振頻率附近時才能達到最優(yōu)效率，頻率調(diào)節(jié)雖然能夠達到輸出能量調(diào)節(jié)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(shù)校正器現(xiàn)有技術(shù)的檢索后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的控制方法都是采用雙環(huán)控制方法，未能有效利用功率因數(shù)校正器的功能，因此，本發(fā)明提出三環(huán)控制的功率因數(shù)校正器，能夠省去副邊的DC-DC電路，實現(xiàn)緊湊無線充電系統(tǒng)的設(shè)計。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種三環(huán)控制功率因數(shù)校正器及控制方法、配套無線充電電路。

根據(jù)本發(fā)明提供的三環(huán)控制功率因數(shù)校正器，包括：第一電感、第一MOSFET開關(guān)管、第五二極管以及第一電解電容，第一電感的一端構(gòu)成三環(huán)控制功率因數(shù)校正器的正輸入端，第一電感的另一端與第一MOSFET開關(guān)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(gòu)成三環(huán)控制功率因數(shù)校正器的正輸出端，第一MOSFET開關(guān)管的源極構(gòu)成三環(huán)控制功率因數(shù)校正器的負輸入端，第一電解電容的負極構(gòu)成三環(huán)控制功率因數(shù)校正器的負輸出端。

根據(jù)本發(fā)明提供的三環(huán)控制功率因數(shù)校正器的控制方法，包括如下步驟：

外環(huán)輸出能量調(diào)節(jié)步驟：根據(jù)給定的恒壓充電電壓參考值V_o^*或恒流充電的電流參考值I_o^*與采樣得到的實際電壓V_o或電流I_o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(shù)校正器的期望電壓V_d^*；

電壓中間環(huán)調(diào)節(jié)步驟：將采樣得到的電壓輸入至鎖相環(huán)，得到輸入電壓的相角wt，所述相角wt作為正弦函數(shù)的輸入，由正弦函數(shù)的輸出sin(wt)形式的電流；

電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)步驟：sin(wt)形式的電流與期望電流幅值組成當(dāng)前時刻流過第一電感的期望電流，當(dāng)前時刻流過第一電感的期望電流與經(jīng)過電流采樣所獲得的當(dāng)前時刻流過第一電感的實際電流i_L做比較后得到偏差信號，所述偏差信號通過PI調(diào)節(jié)后產(chǎn)生PWM信號驅(qū)動第一MOSFET開關(guān)管，功率因數(shù)校正器的輸出電壓V_d作為無線輸電網(wǎng)絡(luò)的輸入，經(jīng)過高頻逆變、無線傳輸和高頻整流后，所獲得的直流電壓V_o作用在負載上，且實際輸出電壓與電流信號V_o/I_o再次傳回原邊，實現(xiàn)閉環(huán)工作。

根據(jù)本發(fā)明提供的三環(huán)控制功率因數(shù)校正器的配套無線充電電路，包括：整流橋、三環(huán)控制功率因數(shù)校正器、無線輸電環(huán)節(jié)，其中，整流橋?qū)⒐ゎl交流電壓整流成直流，三環(huán)控制功率因數(shù)校正器用于功率因數(shù)校正與輸出能量的調(diào)節(jié)，無線輸電環(huán)節(jié)用于將能量通過磁耦合方式從傳輸至負載端。

優(yōu)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(gòu)成整流橋的正輸出端，第二二極管、第四二極管陰極相連構(gòu)成整流橋的負輸出端。

優(yōu)選地，所述三環(huán)控制功率因數(shù)校正器包括：第一電感、第一MOSFET開關(guān)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(guān)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(gòu)成三環(huán)控制功率因數(shù)校正器的正輸出端，第一MOSFET開關(guān)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(gòu)成三環(huán)控制功率因數(shù)校正器的負輸出端。

優(yōu)選地，所述無線輸電環(huán)節(jié)包括：H橋、串串諧振網(wǎng)絡(luò)以及不控整流橋，其中：

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

串串諧振網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)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(gòu)成串串諧振網(wǎng)絡(luò)的第一輸出端，第二補償電容的另一端構(gòu)成串串諧振網(wǎng)絡(luò)的第二輸出端；

不控整流橋包括：第六二極管、第七二極管、第八二極管、第九二極管、第二電解電容，第六二極管的陽極與第七二極管的陰極相連并連接至串串諧振網(wǎng)絡(luò)的第一輸出端，第八二極管的陽極與第九二極管的陰極相連并連接至串串諧振網(wǎng)絡(luò)的第二輸出端；第六二極管的陰極、第八二極管的陰極與第二電解電容的正極相連；第七二極管的正極、第九二極管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(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

1、本發(fā)明中的無線系統(tǒng)接收端無調(diào)節(jié)裝置，省去了有源器件和相應(yīng)的外圍設(shè)備，減小了接收器的體積和質(zhì)量，且電路緊湊損耗小。

2、本發(fā)明利用功率因數(shù)校正器輸出電壓調(diào)節(jié)負載的電壓和電流，在副邊無調(diào)節(jié)裝置的情況下仍然能夠?qū)崿F(xiàn)恒壓或者恒流充電模式。

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

4、本發(fā)明避免了移相調(diào)壓的環(huán)流問題和變頻調(diào)壓的效率下降問題，同時也能夠適當(dāng)減少逆變器開關(guān)管電壓應(yīng)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(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為應(yīng)用本發(fā)明的無線充電的三環(huán)控制功率因數(shù)校正器的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明中無線充電的三環(huán)控制功率因數(shù)校正器的電路原理圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

根據(jù)本發(fā)明提供的應(yīng)用于無線充電的三環(huán)控制功率因數(shù)校正器，及其相配套的大功率無線充電電路。其中，所述應(yīng)用于無線充電的三環(huán)控制功率因數(shù)校正器，通過內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)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(shù)；通過中間環(huán)調(diào)節(jié)功率因數(shù)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(huán)調(diào)節(jié)輸出能量，使得即使線圈互感或負載改變，系統(tǒng)也依然能夠工作在恒壓或者恒流模式。所述大功率無線充電電路包括整流橋、功率因數(shù)校正器、無線輸電環(huán)節(jié)和負載，其中，整流橋?qū)⒐ゎl交流電壓整流成直流，功率因數(shù)校正器負責(zé)功率因數(shù)校正與輸出能量調(diào)節(jié)，無線輸電環(huán)節(jié)負責(zé)將能量通過磁耦合方式從發(fā)射器傳輸?shù)浇邮掌?，并給負載供電。

所述應(yīng)用于無線充電的三環(huán)控制功率因數(shù)校正器，包括電流內(nèi)環(huán)、電壓中間環(huán)、輸出能量調(diào)節(jié)外環(huán)。首先，系統(tǒng)給定恒壓充電或恒流充電的參考值，該參考值與輸出電壓/電流采樣得到的實際電壓或電流做比較，產(chǎn)生的誤差信號作為控制器的輸入，控制器根據(jù)擾動觀察法產(chǎn)生功率因數(shù)校正器的期望電壓，功率因數(shù)校正器的期望電壓與電壓采樣所得的功率因數(shù)校正器輸出電壓做比較，所產(chǎn)生的偏差信號經(jīng)PI調(diào)節(jié)后作為電流內(nèi)環(huán)的期望電流幅值，輸入電壓經(jīng)過電壓采樣再經(jīng)過鎖相環(huán)(PLL)可得到輸入電壓的相角，所得相角作為正弦函數(shù)的輸入，而后正弦函數(shù)的輸出與期望電流幅值組成當(dāng)前時刻流過第一電感的期望電流，當(dāng)前時刻流過第一電感的期望電流與經(jīng)過電流采樣所獲得的當(dāng)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(diào)節(jié)后產(chǎn)生PWM信號，驅(qū)動第一MOSFET開關(guān)管，功率因數(shù)校正器的輸出電壓作為無線輸電網(wǎng)絡(luò)的輸入，經(jīng)過高頻逆變、無線傳輸和高頻整流后，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(xiàn)閉環(huán)工作。

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(gòu)成整流橋的正輸出端，第二二極管、第四二極管陰極相連構(gòu)成整流橋的負輸出端。

所述功率因數(shù)校正器包括：第一電感、第一MOSFET開關(guān)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(guān)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(gòu)成功率因數(shù)校正器的正輸出端，第一MOSFET開關(guān)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(gòu)成功率因數(shù)校正器的負輸出端。

所述無線輸電環(huán)節(jié)包括：H橋、串串諧振網(wǎng)絡(luò)以及不控整流橋，其中：

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

串串諧振網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)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(gòu)成串串諧振網(wǎng)絡(luò)的第一輸出端，第二補償電容的另一端構(gòu)成串串諧振網(wǎng)絡(luò)的第二輸出端；

不控整流橋包括：第六二極管、第七二極管、第八二極管、第九二極管、第二電解電容，第六二極管的陽極與第七二極管的陰極相連并連接至串串諧振網(wǎng)絡(luò)的第一輸出端，第八二極管的陽極與第九二極管的陰極相連并連接至串串諧振網(wǎng)絡(luò)的第二輸出端；第六二極管的陰極、第八二極管的陰極與第二電解電容的正極相連；第七二極管的正極、第九二極管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(yīng)用于無線充電的三環(huán)控制功率因數(shù)校正器和相配套的大功率無線充電電路。應(yīng)用于無線充電的三環(huán)控制功率因數(shù)校正器，電流內(nèi)環(huán)、電壓中間環(huán)、輸出能量調(diào)節(jié)外環(huán)。首先，系統(tǒng)給定恒壓充電或恒流充電的參考值V_o^*/I_o^*，該參考值與輸出電壓/電流采樣得到的實際電壓或電流V_o/I_o做比較，產(chǎn)生的誤差信號作為控制器的輸入，控制器根據(jù)擾動觀察法產(chǎn)生功率因數(shù)校正器的期望電壓V_d^*，功率因數(shù)校正器的期望電壓V_d^*與電壓采樣所得的功率因數(shù)校正器輸出電壓V_d做比較，所產(chǎn)生的偏差信號經(jīng)PI調(diào)節(jié)后作為電流內(nèi)環(huán)的期望電流幅值，輸入電壓經(jīng)過電壓采樣再經(jīng)過鎖相環(huán)(PLL)可得到輸入電壓的相角wt，所得相角作為正弦函數(shù)的輸入，而后正弦函數(shù)的輸出sin(wt)與期望電流幅值組成當(dāng)前時刻流過第一電感的期望電流，當(dāng)前時刻流過第一電感的期望電流與經(jīng)過電流采樣所獲得的當(dāng)前時刻流過第一電感的實際電流i_L做比較，所獲得的偏差信號通過PI調(diào)節(jié)后產(chǎn)生PWM信號，驅(qū)動MOSFET開關(guān)管S1，功率因數(shù)校正器的輸出電壓V_d作為無線輸電網(wǎng)絡(luò)的輸入，經(jīng)過高頻逆變、無線傳輸和高頻整流后，所獲得的直流電壓V_o作用在負載上，該實際輸出電壓與電流信號V_o/I_o再次傳回原邊，實現(xiàn)閉環(huán)工作。

所述整流橋包括四只二極管D1-D4，工頻交流電源V_in的一端與二極管陽極D1、二極管D2的陰極相連，工頻交流電源V_in的另一端與二極管D3的陽極、二極管D4的陰極相連，二極管D1、二極管D3的陰極相連形成直流輸入正極，二極管D2、二極管D4的陽極相連形成直流輸入負極；

所述功率因數(shù)校正器，包括一只電感L1、一只MOSFET開關(guān)管S1和一只二極管D5，電感L1的一端與整流橋的正極相連，另一端與MOSFET開關(guān)管S1的漏極、二極管D5的陽極相連，二極管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(guān)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(huán)節(jié)包括H橋、串串諧振網(wǎng)絡(luò)和不控整流橋，其中H橋由四只MOSFET開關(guān)管S2-S5組成，MOSFET開關(guān)管S2和MOSFET開關(guān)管S4漏極與電解電容E1正極相連，MOSFET開關(guān)管S2的源極與MOSFET開關(guān)管S3的漏極、串串網(wǎng)絡(luò)諧振電感L1(包括電感L1和相應(yīng)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(guān)管S4的源極、MOSFET開關(guān)管S5的漏極相連，MOSFET開關(guān)管S3的漏極、MOSFET開關(guān)管S5的漏極與電解電容E1的負極相連，串串諧振網(wǎng)絡(luò)的副邊諧振電感L3一端與不控整流橋的二極管D6的陽極、二極管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的另一端與二極管D8的陽極、二極管D9的陰極相連，二極管D6的陰極、二極管D8的陰極、電解電容E2的正極、負載RL的一端相連，二極管D7的陽極、二極管D9的陽極、電解電容E2的陰極、負載RL的另一端相連。

本發(fā)明的關(guān)鍵原理在于：傳統(tǒng)的功率因數(shù)校正器采用雙環(huán)控制策略，這意味著功率因數(shù)校正器的輸出電壓是恒定不變的，因此必須在無線輸電接收端增加輸出電壓或電流調(diào)節(jié)電路，使輸出符合負載的要求。但是，無線充電最關(guān)心的是輸出電壓和電流的情況，功率因數(shù)校正器的輸出電壓可以改變，因此本發(fā)明增加了第三環(huán)輸出能量調(diào)節(jié)環(huán)，該環(huán)通過輸出電壓與電流的負反饋作用，動態(tài)調(diào)節(jié)功率因數(shù)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?qū)崿F(xiàn)恒壓充電或者恒流充電模式。

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

電解電容E1－E2：450V，6800μF，四只并聯(lián)；

二極管D1－D9：600V，300A/100℃；

平波電抗器L1：2.2mH，20A，0.35mm厚，硅鋼；

諧振電感L2、L3：0.47mH，50A，圓形線圈；

MOSFET與反向快恢復(fù)二極管S1-S5：600V，250A/100℃，單橋臂MOSFET模塊。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特征可以任意相互組合。