提高车载充电机功率因数的电路及控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种提高车载充电机功率因数的电路及其控制方法。电路中包括：交流输入电源；直流输出端，其正负两极分别与桥式整流器的两端连接，由桥式整流器将交流输入电源的交流电能转换为直流电能提供给直流输出端；第一电感器的另一端分别通过第一开关管连接到直流输出端的正极，通过第二开关管连接到直流输出端的负极；第二电感器的另一端分别通过第三开关管连接到直流输出端的正极，通过第四开关管连接到直流输出端的负极。本发明车载充电机功率因数电路装置可以使PFC的效率在97.5%以上，在输出功率为2.2KW时达到98%。
【专利说明】提高车载充电机功率因数的电路及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电动汽车车载充电机功率因数控制方法，特别是一种高效的电动汽车车载充电机功率因数控制方法及相关电路。
【背景技术】
[0002]功率因数校正(PowerFactorCorrection, PFC)已经成为电力电子行业中的热点。无桥BoostPFC电路相对于传统功率因数校正电路省略了输入整流桥，不仅可以节省空间，同时又大幅度降低了导通损耗，效率提高约3%?4%，特别是在大功率、大电流应用场合，有着明显的效率优势，具有了工业应用的前景，但是因为无桥PFC不采用整流桥使得传统PFC控制所需的输入半波正弦电压无法直接采样。而且电感电流方向的周期性变换也给电流的检测带来困难，增加了无桥BoostPFC控制电路的设计难度。
[0003]目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是:如何能够创新地提出一种更高效的车载充电机功率因数控制方法，以解决现有技术中存在的不足，有效的实现无桥交错PFC的控制的方法和电路装置。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有技术的弊端，提供一种本发明车载充电机功率因数电路装置可以使PFC的效率在97.5%以上，在输出功率为2.2KW时达到98%的电路和控制方法。而现有技术中PFC的效率通常为75%左右。
[0005]为此，本发明公开了一种车载充电机功率因数效率的控制方法，该方法包括:对输入波形进行数字化，并检测电感电流的过零点，以及提高正弦包络基准值。
[0006]判断输入的波形是否为正半周；
[0007]若是正半周，检测流过电感上的电流，当检测到电感的电流过零点时，开通第二开关管，为电感充电，当检测电流达到包络波时关断第二开关管，所述电感放电，直到再次检测到电感过零点，再次开通第二开关管；
[0008]同样负半周时，检测流过电感上的电流，当检测到电感的电流过零点时，开通第一开关管，为电感充电，当检测电流达到包络波时关断第一开关管，所述电感放电，直到再次检测到电感过零点，再次开通第一开关管；
[0009]进一步的，所述输入波形为85V-264V，50HZ的交流电
[0010]进一步的，计算第二开关管开通到断开的时间T，控制第四开关管在第二开关管动作之后T/2跟随第二开关管开通或断开。
[0011]进一步的，计算第一开关管开通到断开的时间T，控制第三开关管在第一开关管动作之后τ/2跟随第一开关管开通或断开。
[0012]进一步的，采用复杂可编程逻辑器件CPLD检测过零点信号及达到包络波的断开信号，来控制四个开关管的开通与断开，并且计算第一或第二开关管开通到断开的时间T，其中形成包络波形的PWM信号是关键，实现搞高功率因数的。[0013]换言之，本发明提供了一种提高车载充电机功率因数的电路，其中，包括:
[0014]交流输入电源，其一极连接至桥式整流器，而另一极与两个并联的第一电感器和第二电感器的一端相连；
[0015]直流输出端，其正负两极分别与桥式整流器的两端连接，由桥式整流器将交流输入电源的交流电能转换为直流电能提供给直流输出端；
[0016]第一电感器的另一端分别通过第一开关管连接到直流输出端的正极，通过第二开关管连接到直流输出端的负极；第二电感器的另一端分别通过第三开关管连接到直流输出端的正极，通过第四开关管连接到直流输出端的负极；
[0017]其中，当交流输入电源输入的电压处于正半周时，第二开关管和第四开关管联动开关操作，而第一开关管和第三开关管处于断开状态；当交流输入电源输入的电压处于负半周时，第一开关管和第三开关管联动开关操作，而第二开关管和第四开关管处于断开状态。
[0018]优选的是，所述的提高车载充电机功率因数的电路中，所述桥式整流器包括正极负极首尾相连、形成环路的四个二极管，所述交流输入电源的一极连接在第二二极管和第三二极管之间以及第四二极管和第一二极管之间；其中，直流输出端的正极连接至第一二极管和第二二极管之间；直流输出端的负极连接至第三二极管和第四二极管之间。
[0019]优选的是，所述的提高车载充电机功率因数的电路中，交流输入电源的另一极与第一电感器和第二电感器的连接端之间均设置有电流计，且交流输入电源的一极通过第五二极管直接连接到直流输出端的正极，其中二极管的正极侧位于交流输入电源一侧，且交流输入电源的一极还通过第六二极管直接连接到直流输出端的负极，其中第六二极管的负极侧位于交流输入电源一侧。
[0020]优选的是，所述的提高车载充电机功率因数的电路中，还包括过零点检测电路，其以第一电感器对应的感应线圈的感应值作为输入值，利用电压比较器检测第一电感器电流是否过零点。
[0021]优选的是，所述的提高车载充电机功率因数的电路中，还包括第一电感电流检测电路，其根据输入电压信号和功率因数校正脉冲电流判断第一电感电流是否达到包络值。
[0022]根据本发明的另一方案，根据上述提高车载充电机功率因数的电路进行功率因数的控制方法，其中，包括以下步骤:
[0023]步骤一、将交流输入电源输入的电压波形进行数字化，判断输入交流电的波形是正半周还是负半周；
[0024]步骤二、检测流过第一电感上的电流；
[0025]若是正半周，当检测到第一电感上的电流过零点时，接通第二开关管，为第一电感充电，当检测到电流达到包络波时断开第二开关管，所述第一电感放电，直到再次检测到电流过零点，再次接通第二开关管；
[0026]若是负半周，当检测到第一电感上的电流过零点时，接通第一开关管，为第一电感充电，当检测电流达到包络波时断开第一开关管，所述第一电感放电，直到再次检测到电流过零点，再次接通第一开关管。
[0027]优选的是，所述的提高车载充电机功率因数效率的控制方法中，还包括以下步骤:[0028]计算第一开关管一个接通到断开的周期时间T，控制第三开关管在第一开关管紧接着的下一个动作周期开始之后Τ/2时间起，跟随第一开关管执行接通或断开操作。
[0029]优选的是，所述的提高车载充电机功率因数效率的控制方法中，还包括以下步骤:
[0030]计算第二开关管一个接通到断开的周期时间Τ，控制第四开关管在第二开关管紧接着的下一个动作周期开始之后Τ/2时间起，跟随第二开关管执行接通或断开操作。
[0031]本发明的有益效果是提供了一种高效的车载充电机功率因数效率的控制方法，解决了现有技术中存在的不足。其中，对输入波形进行数字化处理解决输入半波正弦电压无法直接采样的问题，并且利用软件控制过零点检测克服了电感电流方向的周期性变换带来的检测困难。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1为本发明提高车载充电机功率因数的电路示意图；
[0033]图2为本发明在电压输入正半周情况下，第二开关管接通和断开交替工作产生的第一电感上电流波形示意图；
[0034]图3 Ca)为本发明在电压输入正半周情况下，第二开关管接通情况下的电流走向示意图；
[0035]图3 (b)为本发明在电压输入正半周情况下，第二开关管断开情况下的电流走向示意图；
[0036]图3 (c)为本发明在电压输入负半周情况下，第一开关管接通情况下的电流走向示意图；
[0037]图3 Cd)为本发明在电压输入负半周情况下，第一开关管断开情况下的电流走向示意图；
[0038]图4为本发明第一电感中电流过零点检测的电路原理图；
[0039]图5 Ca)和图5 (b)为本发明第一电感中电流检测电路；
[0040]图6为本发明提高车载充电机功率因数的电路的控制原理流程图；
[0041]图7为本发明不同输出功率的效率图。
【具体实施方式】
[0042]下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
[0043]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明车载充电机功率因数效率的控制方法的实现进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0044]本发明功率因数电路装置采用的是有源无桥交错PFC拓扑，这是因为有源PFC电路不仅可以达到接近I的功率因数以及很低的THD值而且可以适应宽范围电压输入。有源PFC电路输出电压一般为高压400V左右，可以使用较小的电解电容来满足输出电压保持时间的要求。同时也有利于减小后级DC/DC电路的损耗。本文所研究的有源无桥交错PFC电路就属于一种闻功率、低损耗的有源PFC电路，具体如图1，电路中有两组MOS管，每一组MOS管交替导通。电路中包括交流输入电源，其一极连接至桥式整流器PB3008，而另一极与两个并联的第一电感器L102和第二电感器L103的一端相连；
[0045]直流输出端，其正负两极ZK+和ZK分别与桥式整流器的两端连接，由桥式整流器PB3008将交流输入电源的交流电能转换为直流电能提供给直流输出端；
[0046]第一电感器L102的另一端分别通过第一开关管TlOl连接到直流输出端的正极HL，通过第二开关管TlOO连接到直流输出端的负极；第二电感器L103的另一端分别通过第三开关管T103连接到直流输出端的正极，通过第四开关管T102连接到直流输出端的负极；
[0047]其中，当交流输入电源输入的电压处于正半周时，第二开关管和第四开关管联动开关操作，而第一开关管和第三开关管处于断开状态；当交流输入电源输入的电压处于负半周时，第一开关管和第三开关管联动开关操作，而第二开关管和第四开关管处于断开状态。开关管可以是MOS管。
[0048]本发明所采用的有源无桥交错PFC的工作模式为临界断续模式。临界断续电流模式控制是一种变频模式的控制方式，这种控制方式是在关断开关管后直到电感电流降低到零时才再次开通开关管。临界断续控制方法所采用的交流电是工频50Hz市电，图2为正半周一个MOS管交导通关闭的波形图，前提是检测到临界断续控制方式的电感电流，当电流降为零时再开通的话，可以消除二极管反向恢复所引起的主开关的损耗，而且这种开关管的控制方法结构简单。图2中的包迹波即为包络波，而电感电流L为第一电感上的实际电流。由于在正半周期内，第二开关管不断处于接通和断开状态，如图2底部的栅极驱动电压所示，第二开关管以不同的频率处于接通和断开交替状态中，因此电感电流IL也处于变换之中，时而到达零点，时而达到包络值。
[0049]图3(a)?图3(d)示出了不同状态下的电流走向。在电路中还包括一个整流电容C112。电感和电容都能够起到升压的作用。通过图1的电路，能够将交流电转换为升压的直流电。并且是全波转换。
[0050]控制方法的技术方案如下:
[0051]波形数字化电路:对输入波形进行数字化；
[0052]电流环检测电路:检测流过电感上的电流；
[0053]过零点检测电路:判断流过电感上的电流是否过零点；
[0054]电流比较电路:对包络的PWM进行A/D转换后，电感上的电流进行比较，当电感上的电流达到包络波时，产生关闭信号。
[0055]控制电路:复杂的可编程逻辑器件CPLD对已经经过A/D转换的输入波形的方向以及电流上的电流进行判断，并控制四个开关管。
[0056]具体工作过程如图6(a)所示。
[0057]首先参考图4，本发明功率因数电路装置过零点检测的原理图如图4所示，电感L102左边的对应为A点，右边的对应为B点，根据说选电感的属性，感应线圈右边对应为A1，左边对应为B'，如图4所示。和具体的实施过称为:正半周tlOdaotong，电压比较器
[0058]当正半周时，MOS管TlOO关断时，由于电感L102上的电流不能突变，因此电流会继续从左到右流，即UB > UA7UBA > 0，对应的UB' > UA'，UB, A' > 0，即图4的上负下正，电流形不成回路，由于正半周时，U_IN?_SIGN = L ；/U_IN?_SIGN = H；BP TlO导通，T9关闭，D35、D34导通，
【权利要求】
1.一种提高车载充电机功率因数的电路，其中，包括: 交流输入电源，其一极连接至桥式整流器，而另一极与两个并联的第一电感器和第二电感器的一端相连； 直流输出端，其正负两极分别与桥式整流器的两端连接，由桥式整流器将交流输入电源的交流电能转换为直流电能提供给直流输出端； 第一电感器的另一端分别通过第一开关管连接到直流输出端的正极，通过第二开关管连接到直流输出端的负极；第二电感器的另一端分别通过第三开关管连接到直流输出端的正极，通过第四开关管连接到直流输出端的负极； 其中，当交流输入电源输入的电压处于正半周时，第二开关管和第四开关管联动开关操作，而第一开关管和第三开关管处于断开状态；当交流输入电源输入的电压处于负半周时，第一开关管和第三开关管联动开关操作，而第二开关管和第四开关管处于断开状态。
2.如权利要求1所述的提高车载充电机功率因数的电路，其中，所述桥式整流器包括正极负极首尾相连、形成环路的四个二极管，所述交流输入电源的一极连接在第二二极管和第三二极管之间以及第四二极管和第一二极管之间；其中，直流输出端的正极连接至第一二极管和第二二极管之间；直流输出端的负极连接至第三二极管和第四二极管之间。
3.如权利要求2所述的提高车载充电机功率因数的电路，其中，交流输入电源的另一极与第一电感器和第二电感器的连接端之间均设置有电流计，且交流输入电源的一极通过第五二极管直接连接到直流输出端的正极，其中二极管的正极侧位于交流输入电源一侧，且交流输入电源的一极还通过第六二极管直接连接到直流输出端的负极，其中第六二极管的负极侧位于交流输入电源一侧。
4.如权利要求1或3所述的提高车载充电机功率因数的电路，其中，还包括过零点检测电路，其以第一电感器对应的感应线圈的感应值作为输入值，利用电压比较器检测第一电感器电流是否过零点。·
5.如权利要求4所述的提高车载充电机功率因数的电路，其中，还包括第一电感电流检测电路，其根据输入电压信号和功率因数校正脉冲电流判断第一电感电流是否达到包络值。
6.利用权利要求1所述的提高车载充电机功率因数的电路进行功率因数的控制方法，其中，包括以下步骤: 步骤一、将交流输入电源输入的电压波形进行数字化，判断输入交流电的波形是正半周还是负半周； 步骤二、检测流过第一电感上的电流； 若是正半周，当检测到第一电感上的电流过零点时，接通第二开关管，为第一电感充电，当检测到电流达到包络波时断开第二开关管，所述第一电感放电，直到再次检测到电流过零点，再次接通第二开关管； 若是负半周，当检测到第一电感上的电流过零点时，接通第一开关管，为第一电感充电，当检测电流达到包络波时断开第一开关管，所述第一电感放电，直到再次检测到电流过零点，再次接通第一开关管。
7.如权利要求6所述的提高车载充电机功率因数效率的控制方法，其中，还包括以下步骤:计算第一开关管一个接通到断开的周期时间T，控制第三开关管在第一开关管紧接着的下一个动作周期开始之后Τ/2时间起，跟随第一开关管执行接通或断开操作。
8.如权利要求1所述的提高车载充电机功率因数效率的控制方法，其中，还包括以下步骤； 计算第二开关管一个接通到断开的周期时间Τ，控制第四开关管在第二开关管紧接着的下一个动作周期开始之后·Τ/2时间起，跟随第二开关管执行接通或断开操作。
【文档编号】H02M7/12GK103825475SQ201310452720
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2013年9月27日 优先权日:2013年9月27日
【发明者】陈娟, 方波 申请人:苏州舜唐新能源电控设备有限公司