一种充电机电路及充电机装置、电动汽车的制作方法

1.本技术涉及电路技术领域，具体涉及一种充电机电路。


背景技术：

2.在能源紧缺的环境下，设计一款节能、高效、大功率密度的充电机是电源产品中的一个挑战。谐振拓扑电路具有高输入电压、高功率、宽范围输出电压的优点，使得前级功率因数校正(power factor correction，pfc)升压加上后级谐振成为绝大多数电源设计的优选方案。
3.一般谐振电路有三段工作模式，开关频率大于谐振频率，开关频率等于谐振频率以及开关频率小于谐振频率。在这三段工作模式中，当开关频率等于谐振频率的时候效率最高。然而很多电源产品的输出都不是单一固定的，很难做到让产品一直维持在开关频率等于谐振频率的状态。通过调节pfc电压也就是谐振电路的输入电压来使产品始终处于谐振点工作是一种解决效率低的常用方法，现有技术在调节pfc电压的时候多采用软件控制的方式，设计复杂，电路成本较高。


技术实现要素：

4.本技术公开了一种充电机电路，通过硬件调节pfc电压使谐振电路的工作频率稳定，提高电路效率。
5.目标和其他目标将通过独立权利要求中的特征来达成。进一步的实现方式在从属权利要求、说明书和附图中实现。
6.第一方面，本技术提供一种充电机电路，包括功率因数校正模块、谐振功率转换模块和反馈控制模块，其中：功率因数校正模块输入端连接电源电压输入，输出端连接谐振功率转换模块，用于将电源供电电压转换成第一直流电压；谐振功率转换模块输入端连接功率因数校正模块，输出端连接反馈控制模块，用于将第一直流电压转换成第一交流电压；反馈控制模块输入端连接谐振功率转换模块，输出端连接功率因数校正模块，用于对第一交流电压采样得到第二交流电压，将第二交流电压转换为直流后与第一直流电压进行误差补偿，输出第二直流电压到功率因数校正模块，调整功率因数校正模块输出的第一直流电压。
7.由于谐振电路具有宽范围的输出电压，常作为充电电路的设计方案，但输出电压变化时，谐振电路的工作频率随之改变，工作在谐振频率电路效率最高，为了使谐振电路的开关频率稳定在谐振频率，通过反馈电路硬件调节pfc输出电压，以控制谐振电路始终工作在谐振点，提高电路效率。
8.在一些可能的实现方式中，反馈控制模块包括采样电路和补偿电路，其中：采样电路，用于将第一交流电压转换成直流输出到补偿电路；补偿电路，用于将采样电路输出的直流电压与第一直流电压进行误差补偿，输出第二直流电压到功率因数校正模块。
9.采样电路获取到谐振电路的输出电压，使得反馈电路根据输出电压的变化进行反馈调节，经过补偿电路，使得输出电压能够控制谐振电路的工作频率回到谐振频率。
10.在一些可能的实现方式中，采样电路包括第一线圈、整流桥、第一电容、第一电阻和第二电阻；第一线圈连接整流桥的输入端，第一电容连接整流桥的输出端，第一电阻的一端连接第一电容的一端，第二电阻的一端连接第一电容的另一端并接地，第一电阻的另一端连接第二电阻的另一端。
11.使用线圈耦合采样谐振电路的输出电压，通过整流桥将交流电压转换为直流电压。
12.在一些可能的实现方式中，补偿电路包括第一二极管，第二二极管，第三电阻，第四电阻和第一运算放大器；第一二极管的正极连接第一电阻与第二电阻的公共端，第一二极管的负极连接第二二极管的负极，第二二极管的正极连接正电压输入，第三电阻的一端连接功率因数校正模块的输出端，另一端与第四电阻的一端连接，第四电阻的另一端接地，第一运算放大器的同相输入端连接第一二极管和第二二极管的公共端，反相输入端连接第三电阻和第四电阻的公共端，输出端连接第三电阻的一端。
13.在一些可能的实现方式中，第一运算放大器的反相输入端的电压和同相输入端的电压的进行误差补偿后输出第二直流电压到功率因数校正模块，使反相输入端的电压等于同相输入端的电压。
14.当输出电压升高的时候，工作频率变低，采样电路耦合到的电压升高，调节pfc输出电压升高，当pfc输出电压升高，又会让频率升高，向谐振频率靠拢，形成一个闭合动态调节回路直到上述比例关系维持稳定。
15.在一些可能的实现方式中，谐振功率转换模块包括逆变电路和谐振电路，其中：逆变电路，用于将第一直流电压转换为交流输出到谐振电路；谐振电路，用于将逆变电路输出的交流电压转换为第一交流电压。
16.在一些可能的实现方式中，谐振电路包括至少一个电感和至少一个电容。
17.在一些可能的实现方式中，电路还包括整流模块，整流模块用于将第一交流电压转换成第三直流电压输出。
18.第二方面，本技术提供一种充电机装置，包括充电机电路，充电机电路为第一方面或第一方面任意可能的实现方式中所述的电路。
19.第三方面，本技术提供一种电动汽车，包括充电机电路，充电机电路为第一方面或第一方面任意可能的实现方式中所述的电路。
20.本技术提出的方案，通过调节功率因数校正模块的输出电压，也就是谐振转换模块的输入电压，使电路始终处于谐振点工作，解决输出电压变化引起电路效率低的问题，提高充电效率。
附图说明
21.图1为本技术实施例提供的一种常用充电机电路图；
22.图2为本技术实施例提供的一种充电机电路结构图；
23.图3为本技术实施例提供的一种充电机电路的示意图。
具体实施方式
24.下面将结合本技术实例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整
地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
25.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同的对象，而并非用于描述特定的顺序。
26.需要说明的是，在本技术实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
27.目前电源产品采用的充电机电路大多为前级pfc升压加后级谐振的电路设计，如图1所示，电源电压经过功率因数校正输出pfc直流电压到逆变电路，经逆变电路转换为交流后输入谐振电路，谐振电路输出交流电压，经变压器耦合后将电压整流输出充电电压。其中谐振电路有三段工作模式，开关频率大于谐振频率，开关频率等于谐振频率以及开关频率小于谐振频率。在这三段工作模式中，当开关频率等于谐振频率的时候谐振电路的等效阻抗最小，电路效率最高。然而很多电源产品中谐振电路的输出电压都不是单一固定的，输出电压的变化会导致谐振电路的开关频率发生变化，当前很难做到让谐振电路一直维持在开关频率等于谐振频率的状态，导致电路效率降低。
28.为解决上述技术问题，本技术公开了一种充电机电路，设置耦合线圈采样谐振电路的输出电压，根据输出电压的变化通过反馈电路调节pfc输出的电压，使开关频率始终等于谐振频率。
29.图2是本技术实施例提供的一种充电机电路结构图。如图2所示，该充电机电路包括功率因数校正模块110、谐振功率转换模块120和反馈控制模块130，功率因数校正模块110输入端连接电源电压输入，输出端连接谐振功率转换模块120，谐振功率转换模块120输出端连接反馈控制模块130，其中：
30.功率因数校正模块110用于将输入端外接交流电压转换成第一直流电压；
31.谐振功率转换模块120用于将所述第一直流电压转换成第一交流电压。
32.反馈控制模块130用于对所述第一交流电压采样得到第二交流电压，将第二交流电压整流后与第一直流电压进行误差补偿，输出第二直流电压到功率因数校正模块110，调整功率因数校正模块110输出的第一直流电压。
33.可选地，充电机电路还包括整流模块140，连接谐振功率转换模块120的输出端。整流模块140用于耦合所述第一交流电压后转换为第三直流电压输出，第三直流电压为充电机输出的充电电压。
34.其中，谐振功率转换模块120的输出端通过变压器耦合连接反馈控制模块130和整流模块140。谐振功率转换模块120输出端连接初级线圈耦合在变压器的原边，反馈控制模块130 和整流模块140分别连接一个次级线圈耦合在变压器的副边。
35.电源的交流电压经功率因数校正模块110进行整流和功率因数校正，输出第一直流电压到谐振功率转换模块120，谐振功率转换模块120输出第一交流电压，反馈控制模块130经变压器耦合第一交流电压获取第二交流电压，反馈控制模块130将第二交流电压转换为第二直流电压输出至功率因数校正模块110，调节输出的第一直流电压，使电路始终工作在谐振点。整流模块140经变压器耦合第一交流电压获取第三交流电压，整流转换为第三直流电压输出。
36.所述谐振功率转换模块120包括逆变电路121和谐振电路122，逆变电路121的输入端连接功率因数校正模块110的输出端，逆变电路121的输出端连接谐振电路122的输入端，谐振电路122的输出端通过变压器耦合反馈控制模块130。
37.可选的，谐振电路122的输出端通过变压器耦合整流模块140。
38.所述反馈控制模块130包括采样电路132和补偿电路131，采样电路132的输入端耦合连接谐振功率转换模块120的输出端，采样电路132的输出端连接补偿电路131，补偿电路 131输出端连接功率因数校正模块110。
39.其中，反馈控制模块130的调节过程为：当谐振电路122输出的第一交流电压升高时，会导致原本处于谐振频率的谐振电路122的开关频率降低，采样电路132的绕组耦合到的第二交流电压随之升高，第二交流电压经采样电路132整流后输入补偿电路131，与第一直流电压的采样电压进行误差补偿后输出第二直流电压到功率因数校正模块110，调节功率因数校正模块110输出的第一直流电压升高，逆变电路121将升高后的第一直流电压转换为交流电压后控制谐振电路122的开关频率升高，回到谐振频率。
40.当谐振电路122输出的第一交流电压降低时，会导致原本处于谐振频率的谐振电路122 的开关频率升高，采样电路132的绕组耦合到的第二交流电压随之降低，第二交流电压经采样电路132整流后输入补偿电路131，与第一直流电压的采样电压进行误差补偿后输出第二直流电压到功率因数校正模块110，调节功率因数校正模块110输出的第一直流电压降低，逆变电路121将降低后的第一直流电压转换为交流电压后控制谐振电路122的开关频率降低，回到谐振频率。
41.下面结合附图对本技术实施例进行介绍。请参阅图3，图3是本技术实施例提供的一种充电机电路的示意图。
42.谐振功率转换模块120包括逆变电路121和谐振电路122。
43.逆变电路121包括第二电容c2、第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3和第四开关管s4。
44.谐振电路122是包含至少一个电容和至少一个电感的无源一端口网络，其端口可能呈现容性、感性及电阻性。当电路端口的电压和电流出现同相位时，电路呈电阻性，称之为谐振现象。谐振的本质是电容和电感实现能量互换，整个电路中实现无功功率互补，无功功率为零。本实施例中谐振电路122采用llc谐振电路，llc谐振电路为包含两个电感和一个电容的谐振电路，应理解，谐振电路122还可以是lcc和cllc等谐振电路。
45.谐振电路122包括谐振电感lr、谐振电容cr和第二线圈n1。
46.第一开关管s1的漏极连接功率因数校正模块110的输出端的第一端、第二电容c2的一端和第三开关管s3的漏极，第一开关管s1的源极连接第二开关管s2的漏极，第二开关管 s2的源极连接功率因数校正模块110的输出端的第二端、第二电容c2的另一端、第四开关管s4的源极和地端，第三开关管s3的源极连接第四开关管s4的漏极。谐振电感lr的第一端连接第一开关管s1的源极和第二开关管s2的漏极，谐振电感lr的第二端连接谐振电容cr的第一端，谐振电容cr的第二端连接变压器t1的第二线圈n1的第一端，第二线圈n1 的第二端连接第三开关管s3的源极和第四开关管s4的漏极，第二线圈n1耦合在变压器t1 原边。所述反馈控制模块130包括补偿电路131和采样电路132。
47.其中，所述采样电路132包括第一线圈n2、整流桥、第一电容c1、第一电阻r1和第二电阻r2。
48.在一种可能的实现方式中，整流桥包括第一整流二极管d1，第二整流二极管d2，第三整流电极管d3，第四整流电极管d4。
49.所述补偿电路131包括第一二极管d5，第二二极管d6，第三电阻ra，第四电阻rb和第一运算放大器u1。
50.第一线圈n2通过变压器t1与第二线圈n1耦合，第一整流二极管d1的正极分别连接第一线圈n2的第一端和第二整流二极管d2的负极，第一整流二极管d1的负极分别连接第三整流二极管d3的负极、第一电容c1的第一端和第一电阻r1的第一端，第二整流二极管 d2的正极分别连接第四整流二极管的正极、第一电容c1的第二端和第二电阻r2的第二端的公共端接地，第一电阻r1的第二端分别连接第二电阻r2的第一端和第一二极管d5的正极，第一二极管d5的负极分别连接第二二极管d6的负极和运算放大器u1的同相输入端5，第二二极管d6的正极连接正电压输入，第四电阻rb的第一端分别连接运算放大器的反相输入端6和第三电阻ra的第二端，第四电阻rb的第二端接地，第三电阻ra的第一端与运算放大器u1的输出端连接功率因数校正模块110。
51.接下来结合图3对本技术实施例的原理做出说明。
52.功率因数校正模块110将输入的交流电转换为第一直流电压v
pfc
，v
pfc
驱动谐振功率转换模块120输出第一交流电压v
o1
。整流模块140通过变压器t1耦合谐振电路122输出的第一交流电压得到第三交流电压，将第三交流电压整流转换为第三直流电压v
o
输出。
53.反馈控制模块130在变压器t1的第二线圈n1上耦合了第一线圈n2，第一线圈n2耦合的第二交流电压v
o2
为：
[0054][0055]
v
o2
经过采样电路132输出电压v
in
到补偿电路131的运算放大器u1的同相输入端5，其中，
[0056][0057]
运算放大器u1的反相输入端6连接到功率因数校正模块110的输出端，采样输出电压 v
pfc
得到反相输入端6的输入电压v
q
为：
[0058]
[0059]
由以上关系可得：
[0060][0061]
运算放大器u1的同相输入端5的电压v
in
和反相输入端6的电压v
q
经过误差补偿得到输出端7的第二直流电压v
out
，调节pfc的基准电压。使得反相输入端6的电压v
q
趋近于同相输入端5的电压v
in
。电路满足比例关系：
[0062][0063]
由于反相输入端6的电压v
q
为采样功率因数校正模块110的输出电压v
pfc
，同相输入端5 的电压v
in
为采样谐振功率转换模块120的输出电压v
o1
，即功率因数校正模块110的输出电压 v
pfc
等于谐振功率转换模块120的输出电压v
o1
的有效值。
[0064]
谐振电路122工作在谐振点时，开关频率f
s
等于谐振频率，电路中阻抗为0，输出电压v
o1
等于输入电压。当输出电压v
o1
变化的时候，若v
pfc
输出不变，即谐振电路122的输入电压不变，谐振电路122的开关频率f
s
将不再等于谐振频率。通过反馈控制模块130的调节，使功率因数校正模块110的输出电压v
pfc
等于谐振功率转换模块120的输出电压v
o1
的有效值，即调节谐振电路122的输入电压与输出电压相等，使开关频率回到谐振频率。
[0065]
当输出电压v
o1
升高的时候，谐振电路122的开关频率f
s
降低，通过以上反馈电路的电压关系，第二直流电压v
out
调节功率因数校正模块110的基准电压，控制第一直流电压v
pfc
升高，使谐振电路122的开关频率f
s
升高。
[0066]
通过以上反馈电路，实现利用绕组n2耦合的电压v
o2
调节功率因数校正模块110的基准电压，改变pfc的输出电压值v
pfc
，从而保证谐振电路122工作在谐振频率。
[0067]
相反，当输出电压v
o1
降低的时候，v
pfc
不变，llc开关频率fs
s
升高不再等于谐振频率。绕组n2的绕组电压v
o2
降低，调节pfc输出电压v
pfc
降低；当pfc输出电压v
pfc
降低，又会让开关频率f
s
升高，回到谐振频率。
[0068]
本技术通过反馈回路的设计，硬件调节pfc电压，以控制谐振电路的工作频率，使得电路始终工作在谐振频率，提高电路效率。
[0069]
本技术提供一种充电机装置，包括本技术实施例中提供的充电机电路，可以应用在轿车、卡车、摩托车、公交车、船、飞机、直升机、割草机、铲雪车、休旅车、游乐园车辆、农业设备、施工设备、有轨电车、高尔夫球车等移动交通工具的充电机中。
[0070]
本技术提供一种电动汽车，包括本技术实施例提供的充电机装置与充电机电路。
[0071]
以上对本技术实施例所提供的充电机电路进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。