阅读说明：本技术 一种用于充电桩的pwm整流电路 (PWM (pulse-width modulation) rectifying circuit for charging pile ) 是由 张江林 谢晓娜 庄慧敏 吴磊 樊昌元 刘兴茂 张道元 邓昌建 唐必秀 李代伟 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于充电桩的PWM整流电路,主要解决现有充电桩整流电路对电网以及其他用电设备干扰大,功率因数低和响应频率低的问题。该电路包括与充电桩的交流输入端相连的全波整流电路、输入电流采样电路、输入电压采样电路、Boost升压电路、输出采样电路、第一PI控制电路、直流参考电压源、调节输出采样电路、信号调制电路、乘法器、第二PI控制电路、PWM产生电路、三角波发生器和驱动电路。通过上述设计,本发明实现了充电桩充电过程中的整流,减少利用充电桩对负载充电时对负载设备的干扰,提升充电桩的功率因数和响应频率。因此,具有很高的使用价值和推广价值。(The invention discloses a PWM (pulse-width modulation) rectifying circuit for a charging pile, which mainly solves the problems of large interference of the existing charging pile rectifying circuit on a power grid and other electric equipment, low power factor and low response frequency. The circuit comprises a full-wave rectifying circuit, an input current sampling circuit, an input voltage sampling circuit, a Boost circuit, an output sampling circuit, a first PI control circuit, a direct-current reference voltage source, an adjusting output sampling circuit, a signal modulation circuit, a multiplier, a second PI control circuit, a PWM (pulse width modulation) generating circuit, a triangular wave generator and a driving circuit, wherein the full-wave rectifying circuit is connected with an alternating-current input end of a charging pile. Through the design, the invention realizes rectification in the charging process of the charging pile, reduces the interference of the charging pile on load equipment during charging of the load, and improves the power factor and the response frequency of the charging pile. Therefore, the method has high use value and popularization value.)

一种用于充电桩的PWM整流电路

技术领域

本发明涉及充电桩技术领域，具体地说，是涉及一种用于充电桩的PWM整流电路。

背景技术

在电动汽车发展的过程中，充电桩作为能源输入，它的功率损耗大小以及对电网的谐波污染是重要的研究点。常规电动车直流充电系统的整流部分大多数采用的是晶闸管相控整流和二极管不可控整流。这一类技术在电动车充电器的使用上比较多，它们有着很明显的缺点，它们的功率因数比较低并且会给电网造成很大的谐波污染，降低电网电能的利用率。谐波会造成电网的功率损耗增加、设备寿命缩短、接地保护功能失常、线路和设备过热等，特别是三次谐波会产生非常大的中性线电流，造成设备的不安全运行。

在半导体技术未出现时，人们通常使用电动机-发电机组和电子管-离子管器件来完成整流，即是旋转式AC/DC变换。后来又出现了电子管、离子管整流器。随着电力电子技术的提高，以及半导体性价比的提升，人们逐渐放弃了旋转式AC/DC变换和电子管、离子管整流器，现在大部分使用的是不可控整流和可控整流。其中不可控整流主要是采用半导体二极管，利用二极管的单相导通特性来进行整流。可控整流可以分为相位控制和PWM控制。相位控制的可控整流主要使用的晶闸管(Silicon Controlled Rectifier，SCR)来实现，晶闸管不具备自关断特性，实际上是一个半可控器件。PWM控制整流器主要是通过控制可关断开关器件的占空比，完成整流，因为它的占空比可以调整，最终的输出电压可能会比原始输入值高。它的整流器件主要使用的是功率场效应管(V-groove Metal-oxide Semiconductor，VMOS)和绝缘栅晶体管(Insulate Gate Bipolar Transistor，IGBT)。

不可控整流在小功率整流设备中应用比较广泛，尤其是在开路电压为固定的输出值时，被人们大量的使用。可控整流主要适用于大功率输出电路，相控整流电路发展的时间相较于PWM控制整流电路长，技术更加成熟，但是由于其对电网以及其他用电设备有很大的干扰，使得功率因数降低和响应频率偏低等缺点，它的使用具有很大的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于充电桩的PWM整流电路，主要解决现有充电桩整流电路对电网以及其他用电设备干扰大，功率因数低和响应频率低的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于充电桩的PWM整流电路，包括与充电桩的交流输入端相连的全波整流电路、输入电流采样电路、输入电压采样电路，与全波整流电路相连的Boost升压电路，与Boost升压电路相连的输出采样电路，正极与输出采样电路相连的第一PI控制电路，与第一PI控制电路的负极相连的直流参考电压源，与第一PI控制电路输出端相连的调节输出采样电路，与调节输出采样电路相连的信号调制电路，与信号调制电路和输入电压采样电路均相连的乘法器，正极与乘法器相连负极与输入电流采样电路相连的第二PI控制电路，与第二PI控制电路的输出端相连的PWM产生电路，以及与PWM产生电路相连的三角波发生器和驱动电路；其中，所述驱动电路另一端与Boost升压电路相连。

进一步地，所述输入电流采样电路包括型号为ACS712的芯片U1，一端与芯片U1的VCC引脚相连且另一端接地的电容C1，一端与芯片U1的FILTER引脚相连且另一端与芯片U1的GND引脚相连的电容C3，与芯片U1的VIOUT引脚相连的电阻R1，正极与电阻R1另一端相连的放大器A1，与放大器A1的负极和输出端均相连的电阻R2，一端连接于放大器A1的电压源负极另一端接地的电容C2，一端连接于放大器A1的电压源正极另一端接地的电容C4，以及一端与电阻R2的另一端相连且另一端接地的电容C5，并联于电容C5两端的插头P1；其中，芯片U1的两个IP+、两个IP-引脚均与充电桩的交流输入端相连，放大器A1的电压源正极接12V电压源的正极，放大器A1的电压源负极接12V电压源的负极；其中，插头P1与第二PI控制器相连。

进一步地，所述输入电压采样电路包括与充电桩的交流输入端相连的电阻R3，一侧两个接口分别与电阻R3和充电桩的交流输入端相连的互感器T1，并联于互感器T1次级两端且其中一端接地的电阻R4，与电阻R4另一端相连的电阻R5，正极与电阻R5另一端相连的放大器A2，并联后一端与放大器A2的正极相连且另一端接地的电容C6、电阻R6，一端与放大器A2的负极和输出端均相连的电阻R7，一端与电阻R7相连且另一端接3.3V电压的电阻R8，正极与3.3V电压相接且负极与电阻R7、R8连接端相接的二极管D1，正极与二极管D1的负极相连且负极接地的二极管D2，并联于二极管D2两端的电容C7，以及并联于电容C7两端的插头P2；其中，插头P2与乘法器相连。

进一步地，所述输出采样电路包括型号为INA282的芯片U2，与芯片U2的+IN引脚相连的插头P3，与插头P3相连的电阻R9、R10，与R9另一端相连的电阻R11，与电阻R11另一端相连的插头P4，一端与电阻R9、R11的连接端、芯片U2的-IN引脚相连的电阻R12，一端与电阻R12另一端相连且另一端接地的电阻R13，连接于电阻R12和电阻R13连接端的插头P5，与芯片U2的V-引脚相连并接12V电压的插头P6，与芯片U2的OUT引脚相连的插头P7，以及一端与芯片U2的GND、REF2、NC引脚均相连且另一端接地的插头P8；其中，插头P3与Boost升压电路相连，插头P7与调节输出采样电路相连，插头P6与直流参考电压源相连。

进一步地，所述驱动电路包括型号为HCPL-3180的耦合器件芯片U3，并联后一端与芯片U3的ANODE引脚相连且另一端接地的电容C8、电阻R14，与芯片U3的ANODE引脚相连电阻R15，与电阻R15另一端相连的插头P9，一端与芯片U3的VCC引脚相连且另一端接地的电容C9，以及一端与芯片U3的VO引脚相连的插头P10；其中，芯片U3的N/C、CATHODE、VEE引脚接地，芯片U3的VCC引脚接10V电压；其中，插头P9与PWM产生电路相连，插头P10与与Boost升压电路相连。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明采用电压电流双闭环控制，利用Boost电路的直流升压端进行电压采样，与设定的参考电压进行比较，经过运算得到一个误差值。此误差值经过一系列的信号调节控制、PI调节，得到一个周期信号，此为电压外环控制。用得到的周期信号与直流输入测采集而来的电流信号进行合成调制，此时得到了偏差信号很小的值，其值在信号稳定之后几乎处于0，此为电流内环控制。将这个信号的增益、响应速度调至合理程度。最终得到所需要的控制功率开关器件的信号，从而来完成升压的过程，实现充电桩充电过程中的整流，减少利用充电桩对负载充电时对负载设备的干扰，提升充电桩的功率因数和响应频率。

(2)本发明通过设置两次的PI调节控制，在对最终输出直流电压进行采样后，进行第一次的PI控制，在进行交流测电流采样时，又进行了一次PI调节。当提升比例环节时，可以减小系统的动态误差，对控制系统的精度进行提升。并且能够消除系统的静态误差，使得整个充电桩充电系统会更加的稳定。

附图说明

图1为本发明的整体原理框图。

图2为本发明中输入电流采样电路原理图。

图3为本发明中输入电压采样电路原理图。

图4为本发明中输出采样电路原理图。

图5为本发明中驱动电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

实施例

如图1～5所示，本发明公开的一种用于充电桩的PWM整流电路，包括与充电桩的交流输入端相连的全波整流电路、输入电流采样电路、输入电压采样电路，与全波整流电路相连的Boost升压电路，与Boost升压电路相连的输出采样电路，正极与输出采样电路相连的第一PI控制电路，与第一PI控制电路的负极相连的直流参考电压源，与第一PI控制电路输出端相连的调节输出采样电路，与调节输出采样电路相连的信号调制电路，与信号调制电路和输入电压采样电路均相连的乘法器，正极与乘法器相连负极与输入电流采样电路相连的第二PI控制电路，与第二PI控制电路的输出端相连的PWM产生电路，以及与PWM产生电路相连的三角波发生器和驱动电路；其中，所述驱动电路另一端与Boost升压电路相连。

PWM产生电路取的是STM32F103C8T6这个最小系统板来对整个系统进行控制。这款芯片它的最高工作频率可以达到72MHz，通过它发出的PWM脉冲能够达到所选的功率开关管的要求。

本发明采用的电压电流双闭环控制，先从Boost电路的直流升压端进行电压采样，与设定的参考电压进行比较，经过运算得到一个误差值。此误差值经过一系列的信号调节控制、PI调节，得到一个周期信号，此为电压外环控制。用得到的周期信号与直流输入测采集而来的电流信号进行合成调制，此时得到了偏差信号很小的值，其值在信号稳定之后几乎处于0，此为电流内环控制。将这个信号的增益、响应速度调至合理程度。此时，再将这个得到的最终的偏差信号与三角波进行调制，最终得到所需要的控制功率开关器件的信号，从而来完成升压的过程。总的来说，就是从直流升压侧进行采样，通过一系列的放大运算，再与直流输入信号进行比较，把得到的调制波形变成与输入电流波形大体一致，再与三角波进行调制，得到所需要的控制信号。

在系统的反馈控制中，会使用到传统的PID控制。在本发明中，主要采用PI控制，整个控制系统中共进行了两次的PI控制，在对最终输出直流电压进行采样后，进行第一次的PI控制，在进行交流测电流采样时，又进行了一次PI调节。当提升比例环节时，可以减小系统的动态误差，对控制系统的精度进行提升。但是过大的比例调节会使得系统的相对稳定性降低，更加严重的可能会造成系统的崩溃。积分环节能够消除系统的静态误差，使得整个系统会更加的稳定。

本发明的PWM整流电路先从直流升压端采集电压，输入控制系统内部的比较环节，进行电压比较以及误差计算，再进行输入端的电压、电流采集，输入端的电压以及电流采样都是交流经过全波整流后得到的正弦半波。这样采集信号，可以使得控制系统的输出信号更加的更加符合设计的Boost升压电路。因为在Boost升压电路的输入并不是一个标准的直流，而是一个正弦半波。

本实施例中，所述输入电流采样电路包括型号为ACS712的芯片U1，一端与芯片U1的VCC引脚相连且另一端接地的电容C1，一端与芯片U1的FILTER引脚相连且另一端与芯片U1的GND引脚相连的电容C3，与芯片U1的VIOUT引脚相连的电阻R1，正极与电阻R1另一端相连的放大器A1，与放大器A1的负极和输出端均相连的电阻R2，一端连接于放大器A1的电压源负极另一端接地的电容C2，一端连接于放大器A1的电压源正极另一端接地的电容C4，以及一端与电阻R2的另一端相连且另一端接地的电容C5，并联于电容C5两端的插头P1；其中，芯片U1的两个IP+、两个IP-引脚均与充电桩的交流输入端相连，放大器A1的电压源正极接12V电压源的正极，放大器A1的电压源负极接12V电压源的负极。Boost升压电路的输入电流采样直接从交流端进行，这里采样使用的是一款霍尔元件ACS712。ACS712采用的是5V单电源进行供电，它的基准输出电压是2.5V，并且其输出端的电压值还跟输入端的电流值成正比，输出灵敏度在66到185mV/A之间。根据仿真的分析，输入端的电流为13A，当输出灵敏度在选取最小的66mV/A时，霍尔元件的输出为3.3V左右。为了控制芯片的输入端能够准确的采集到输入信号，在霍尔元件的输出端口采用了NE5532来做一个电压跟随器电路。NE5532是一款含有双运放的集成芯片，采用的正负双电源供电，采集的得到的电压经过它后，最终的信号能够满足系统的采样。

本实施例中，所述输入电压采样电路包括与充电桩的交流输入端相连的电阻R3，一侧两个接口分别与电阻R3和充电桩的交流输入端相连的互感器T1，并联于互感器T1次级两端且其中一端接地的电阻R4，与电阻R4另一端相连的电阻R5，正极与电阻R5另一端相连的放大器A2，并联后一端与放大器A2的正极相连且另一端接地的电容C6、电阻R6，一端与放大器A2的负极和输出端均相连的电阻R7，一端与电阻R7相连且另一端接3.3V电压的电阻R8，正极与3.3V电压相接且负极与电阻R7、R8连接端相接的二极管D1，正极与二极管D1的负极相连且负极接地的二极管D2，并联于二极管D2两端的电容C7，以及并联于电容C7两端的插头P2。输入采样直接从交流输入端进行，使用的是TVA1421-01M 9A/6mA立式穿芯小型保护交流电压电流通用互感器。它的额定电流比是6mA/6mA，输入电压在1000V以内，输出电压在1.2V以内，工作频率在20Hz到20kHz。选取它的副边电阻为200Ω，输出电压为1.2V，将输入端接到交流220V，通过计算得到原边的输入电阻的最小值为36666Ω，这里选取的输入电阻值为51kΩ。将采集得到的信号经过电压跟随器，起到隔离与缓冲的作用。再在电压跟随器的后面加上一个二极管钳位电路，使得选择的控制芯片能够采得正确的电压值。

本实施例中，所述输出采样电路包括型号为INA282的芯片U2，与芯片U2的+IN引脚相连的插头P3，与插头P3相连的电阻R9、R10，与R9另一端相连的电阻R11，与电阻R11另一端相连的插头P4，一端与电阻R9、R11的连接端、芯片U2的-IN引脚相连的电阻R12，一端与电阻R12另一端相连且另一端接地的电阻R13，连接于电阻R12和电阻R13连接端的插头P5，与芯片U2的V-引脚相连并接12V电压的插头P6，与芯片U2的OUT引脚相连的插头P7，以及一端与芯片U2的GND、REF2、NC引脚均相连且另一端接地的插头P8。在输出端采样使用的是INA282电流检测芯片，它有固定的输出50倍增益，能够实现小信号的采集。因为输出的电压为500V，而INA282能够感测到的电压在-14V到80V之间，所以需要对Boost输出的电压进行分压处理。具体是通过一个1k的电阻与一个51k的电阻串联，最终从进行分压后的1k电阻进行电流采样。INA282使用的采样电阻的阻值非常的小，这也是为了避免对输出电压的分压造成不必要的影响。当这个采样电阻上流过电流时，会在INA282的1号脚和8号脚之间产生压降，再通过内部的差分放大器对输入信号进行放大，最终输出电压值。本实施例在这里是将输入电流值通过电压值来进行表示，并且单片机的输入端口也只能采样电压值，P5口就是接的单片机的输入端口，以上的操作就是输出电流采集。在1k电阻的分压端，又进行了电压采集。通过前面的1k与51k电阻进行了分压之后，在1k电阻的两端电压大概为10V，这里又一次使用了两个电阻分压，进行输出电压的采样。

所述驱动电路包括型号为HCPL-3180的耦合器件芯片U3，并联后一端与芯片U3的ANODE引脚相连且另一端接地的电容C8、电阻R14，与芯片U3的ANODE引脚相连电阻R15，与电阻R15另一端相连的插头P9，一端与芯片U3的VCC引脚相连且另一端接地的电容C9，以及一端与芯片U3的VO引脚相连的插头P10；其中，芯片U3的N/C、CATHODE、VEE引脚接地，芯片U3的VCC引脚接10V电压。在这里选择的是HCPL-3180光耦合器件来做的一个驱动器。HCPL-3180的开关频率能够达到250kHz，它的开关频率能够满足所选的IPW65R070C6的MOS管的开关速度。根据它的允许输入电流是在10到16mA之间，单片机的输出方波电压为3.3V，需要在它的输入端加上限流电阻，经过计算得出限流电阻的阻值在200Ω左右。它的工作电压是10到20V，输入电压的值与它的工作电压值相同，能够满足功率开关器件的驱动电压。

通过上述设计，本发明将充电桩工作整流过程中的信号增益、响应速度调至合理程度。最终得到所需要的控制功率开关器件的信号，从而来完成升压的过程，实现充电桩充电过程中的整流，减少利用充电桩对负载充电时对负载设备的干扰，提升充电桩的功率因数和响应频率。因此，具有很高的使用价值和推广价值。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。