基于PFC与LLC拓扑宽范围电压输出充电机控制电路的制作方法

本发明涉及充电机控制领域，尤其涉及一种基于pfc与llc拓扑宽范围电压输出充电机控制电路。

背景技术：

全球能源日益紧张，温室效应、空气污染愈加严重，各国政府大力推进新能源技术发展。电动车作为新能量技术重要组成部分，须加快其充电设施及设备建设。而充电机建设要求高功率密度、高效率、高pf值、低thd。有源pfc与全桥llc全桥谐振电路组合可以很好满足要求。全桥llc谐振电路具有出色的优点：在全负载范围内(包括轻载)，能实现零电压开关；工作频率小于等于谐振频率时，次边二极管实现零电流开关；次边二极管应力钳位为输出电压。但是，针对宽范围电压输出充电机，由于传统pfc采用固定电压输出，导致llc谐振电路不是全输出电压范围内工作在较佳状态，严重限制了充电机的高效率。而且充电机不仅要求高效率，在实际设计过程中，还要考虑高pf值、低thd。

技术实现要素：

本发明的目的在于通过一种基于pfc与llc拓扑宽范围电压输出充电机控制电路，来解决以上背景技术部分提到的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于pfc与llc拓扑宽范围电压输出充电机控制电路，其包括pfc主功率电路、llc变换器、反馈电路及pfc控制电路；所述pfc主功率电路的电源端连接ac输入，所述pfc主功率电路的输出端与所述llc变换器的输入端、所述pfc控制电路的取样端a1连接，所述pfc主功率电路的输入端连接所述pfc控制电路的控制端c1；所述llc变换器的输出端与所述反馈电路的取样端a2连接；所述反馈电路的输出端b2与所述pfc控制电路的输入端b1连接。

特别地，所述反馈电路包括第一信号转换电路、信号隔离电路及第二信号转换电路；所述第一信号转换电路的取样端a2连接llc变换器；所述第一信号转换电路的输出端连接信号隔离电路；所述信号隔离电路连接所述第二信号转换电路，所述第二信号转换电路的输出端b2连接所述pfc控制电路。

特别地，所述pfc控制电路包括pfc控制芯片和取样比例调节电路；所述pfc控制芯片的基准端vref连接反馈电路；所述取样比例调节电路的取样端a1连接pfc主功率电路的输出端；所述取样比例调节电路的输出端连接pfc控制芯片。

本发明提出的基于pfc与llc拓扑宽范围电压输出充电机控制电路中反馈电路实时对llc变换器的输出电压vo2进行取样，将取样信号转换成pfc控制信号，通过pfc控制电路调节pfc主功率电路的输出电压vo1，使vo1实时跟踪vo2。本发明在给定输入ac电压范围内都能保持高pf值、低thd，满足充电机相关标准。本发明可以有效的保证在宽输出电压范围内充电机工作在较佳状态，提高充电机效率。本发明采用硬件控制，与软件控制相比，结构简单、可靠性高、设计便捷、成本低。本发明通过可以确保llc主功率工作在较佳状态，提高了充电机的效率和可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于pfc与llc拓扑宽范围电压输出充电机控制电路结构图；

图2为本发明实施例提供的基于pfc与llc拓扑宽范围电压输出充电机控制电路工作原理框图；

图3为本发明实施例提供的反馈电路与pfc控制电路的电路连接关系图；

图4为本发明实施例提供的电压增益特性图；

图5为本发明实施例提供的开环控制框图；

图6a为本发明实施例提供的反馈电路中运放u3输出端的输出波形；

图6b为本发明实施例提供的反馈电路中比较器u2输入负端in2的波形；

图6c为本发明实施例提供的反馈电路中比较器u2的输出端o2占空比与输出电池电压关系图；

图6d为本发明实施例提供的运放u4输出电压幅值与输出电池电压关系图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参照图1和图2所示，本实施例中基于pfc与llc拓扑宽范围电压输出充电机控制电路具体包括pfc主功率电路101、llc变换器102、反馈电路103及pfc控制电路104。所述pfc主功率电路101的电源端连接ac输入，所述pfc主功率电路101的输出端与所述llc变换器102的输入端、所述pfc控制电路104的取样端a1连接，所述pfc主功率电路101的输入端连接所述pfc控制电路104的控制端c1；所述llc变换器102的输出端与所述反馈电路103的取样端a2连接；所述反馈电路103的输出端b2与所述pfc控制电路104的输入端b1连接。

在本实施例中所述反馈电路103包括第一信号转换电路、信号隔离电路及第二信号转换电路；所述第一信号转换电路的取样端a2连接llc变换器102；所述第一信号转换电路的输出端连接信号隔离电路；所述信号隔离电路连接所述第二信号转换电路，所述第二信号转换电路的输出端b2连接所述pfc控制电路104。在本实施例中所述pfc控制电路104包括pfc控制芯片和取样比例调节电路；所述pfc控制芯片的基准端vref连接反馈电路103；所述取样比例调节电路的取样端a1连接pfc主功率电路101的输出端；所述取样比例调节电路的输出端连接pfc控制芯片。其中，图2中vo1为pfc主功率电路101的输出电压vo1，vo2为llc变换器102的输出电压vo2；a1为pfc控制电路104的取样端，a2为反馈电路103的取样端；c1为pfc控制芯片的控制端c1；k1指取样比例调节电路取样vo1的取样比例；k2指第二信号转换电路的输出电压vq需执行的调试比例；k3为第一信号转换电路取样vo2的取样比例；b2为反馈电路103的输出端，b1为pfc控制电路104中相加器add1的输入端。

如图3所示，在本实施例中所述第一信号转换电路包括比较器u1、比较器u2、运放u3、电阻r10-电阻r19、电容c1、偏置电压vbs。所述信号隔离电路包括光耦op1、电阻r9，三极管q5、电阻r8。所述第二信号转换电路包括电阻r4、电阻r6、电阻r7、电容c2、电容c3及运放u4。所述pfc控制电路104包括pfc控制芯片、取样比例调节电路；所述取样比例调节电路包括采样电阻r3、采样电阻r5；所述采样电阻r3一端与所述采样电阻r5一端、电阻r4连接，所述采样电阻r3的另一端与连接输出电压vo1，所述电阻r5另一端与地连接。

下面对本发明控制原理扼要说明如下：pfc电路指主动式pfc，输出电压不随输入电压波动变化，可为llc变换器102提供高稳定输入电压，其功率电路即pfc主功率电路101采用升压式拓扑，输出电压与输入电压关系如下：

vo1＝vin/(1-d)

其中，vin为ac输入，d为驱动占空比，由于d的值不会小于0，则vo1必须不小于vin值，实际设计时，往往会留一定的余量vp。vp取值没有特定的要求，只是一个假设值。

又由pfc控制电路104可得vo1值为：

调节pfc输出电压是指：反馈电路103根据电池电压调节vq，从而达到调节vo1值的目的。而vo1电压取值范围[vinmax+vpvcmax]，vcmax为pfc允许输出最大值。所述k1、k2的选取原则是：当vq等于0时，vo1等于vcmax，当vq取最大值时，vo1等于vinmax+vp。

根据涂德鸿教授文献《高功率密度llc谐振变换器的研究》分类号：tm46，可知当llc工作频率在谐振点fr上时，其效率最高，为了达到更大范围内llc工作频率在谐振点上，必须合理调节pfc输出电压。

根据电池电压调节pfc输出电压是指：选取宽范围电池电压vo2其中一段电压[vo2pvo2q]；电压[vo2pvo2q]与vo1[vinmax+vdvcmax]成线性关系：

由于llc变换器102的输出电池电压范围非常宽，所以不可能全范围满足上述线性关系，这就要合理选取llc变换器102主变压器匝比n，决定具体选取哪部分作为线性区，n表达式：

所述匝比n的选取是指：在确保llc变换器102工作在感性区(zvs区)，尽量增大匝比n；如此可以确保大部分情况下llc工作频率不大于谐振频率，且输出电池电压低压时，llc工作频率不会太高。如图4，为本发明的电压增益特性图，图中划分出来zcs与zvs区域。

图5所示为本发明开环控制框图：输出电压vo2经过限幅器，其作用为当vo2小于vo2p时取值为vo2p，当大于vo2q时取值为vo2q；再减去vo2p；然后除以(vo2q-vo2p)得到对应比例；然后1减去此比例，再乘以系数k2*vq，最后加上vo1*k1等于vref。其总体表达式如下：

图3中比较器u1、运放u3、电阻r13-电阻17及电容c1组成三角波发生器；比较器u2将电池电压取样值与三角波和偏置电压vbs共同组合波形进行比较；其中，三角波和偏置电压vbs共同组合波形，应该达到如下效果：其最大值为vo2q*k3，最小值为vo2p*k3，[vo2pvo2q]为电池电压的一部分，其与pfc输出电压成线性关系；如图6a为运放u3输出端的输出波形，图6b为比较器u2输入负端in2的波形。比较器u2作用为将电池电压转换为相对应的占空比方波信号，其输出端o2占空比与输出电池电压关系如图6c。所述电阻r8、电阻r9、电阻r20、光耦op1、三极管q5组成信号隔离电路，其目的是将信号从次边传输到原边，并将比较器u2输出方波信号反向。所述第二信号转换电路中电阻r7、电阻r6、电容c2、电容c3组成二级低通滤波，其目的是将隔离电路输出的方波转换成对应直流；运放u4为跟随器，作为阻抗匹配隔离；电阻r4与pfc控制电路104的取样电阻r3、取样电阻r5完成调节比例k2；vd为光耦op1次边恒定供电电源；运放u4输出电压幅值与输出电池电压关系图如图6d。

本发明的技术方案通过反馈电路103实时对llc变换器102的输出电压vo2进行取样，将取样信号转换成pfc控制信号，通过pfc控制电路104调节pfc主功率电路101的输出电压vo1，使vo1实时跟踪vo2。本发明在给定输入ac电压范围内都能保持高pf值、低thd，满足充电机相关标准。本发明有效的保证在宽输出电压范围内充电机工作在较佳状态，提高充电机效率。本发明采用硬件控制，与软件控制相比，结构简单、可靠性高、设计便捷、成本低。本发明通过可以确保llc主功率工作在较佳状态，提高了充电机的效率和可靠性。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。