CN103580301B - 一种无线电能传输功率控制***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线电能传输功率控制***及方法，包括交流输入、全桥整流、LC滤波、电压检测、原边补偿电容C_p、原边发射线圈L_p、副边接收线圈L_s、副边补偿电容C_s、全桥整流、输出滤波、电流检测、单片机、驱动电路和开关管Q等。本发明采用单管零电压开通、零电压关断逆变电路，其传输功率控制方式采用变频+变占空比的方式，电路结构新颖、简单，功率大，相同功率下，成本低，具有非常广的市场前景。

Description

一种无线电能传输功率控制***及方法

技术领域

本发明属于电学技术领域，涉及一种无线电能传输功率控制***及方法，具体地说，涉及一种单管零电压开通、零电压关断无线电能传输功率控制***及方法。

背景技术

传统的电能需要由导线连接来实现能量传输。互感耦合式无线电能传输(IPT)技术是一种基于电磁感应原理的能量传输技术，具体表现为可以实现供电电路和用电设备的非导线接触传输。

目前，在200W以上的应用场合中，IPT***采用的拓扑主要是全桥逆变或者半桥逆变电路。用单管逆变电路进行无线电能传输的功率只有几瓦，一般用于为手机充电，未见大功率(1000W)的无线电能传输方案和应用实例。现有技术主要采用全桥逆变或者半桥逆变电路进行无线电能传输，电路结构复杂，可靠性低，成本高，不利于1000W以下领域(特别家电领域)的应用推广。

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷，本发明提供了一种无线电能传输功率控制***及方法，采用新型单管零电压开通、零电压关断逆变电路和特有的控制和稳压技术，具有电路结构简单，可靠性高，成本低，且采用零电压开通、零电压关断，电路效率高，有利于家电等领域需要大量生产、成本低的场合。其技术方案为：

一种无线电能传输功率控制***，包括交流输入电路、全桥整流电路、LC滤波电路、电压检测电路、原边补偿电容C_p、原边发射线圈L_p、副边接收线圈L_s、副边补偿电容C_s、全桥整流电路、输出滤波电路、电流检测电路、单片机控制电路、驱动电路和开关管Q。电感L_i和电容C_i组成LC滤波电路，用于提高电路的功率因数；电阻R₁和R₂组成电压检测电路，用于检测LC滤波后的电压，判断IPT***的输入电压是否过压或欠压；原边发射线圈L_p、原边补偿电容C_p、副边接收线圈L_s及副边补偿电容C_s组成谐振耦合网络，C_p对L_p进行谐振补偿，C_s对L_s进行谐振补偿；通过V_ce检测电路实现开关管Q的零电压开通和零电压关断；单片机控制电路用于控制功率传输，并通过驱动电路，控制开关管Q。

220V_ac经全桥整流、LC滤波后转换成峰值310V的电压，单管逆变电路将该电压转换为高频方波电压并施加到L_p的两端，由L_p将能量传递给L_s，L_s两端的电压经全桥整流和电容C_o滤波后转换成有效值为220V的电压供负载使用。电压检测电路和电流检测电路一起用于调控IPT***的输出功率。

一种无线电能传输功率控制方法，包括以下步骤：

电路上电，首先判断是否有负载，若无负载则待机，若有负载则进入工作状态；进入工作状态后，检测输入电压、输入电流值判断功率变化，若功率没有发生变化，则直接检测V_ce耐压值；若功率发生变化，则通过调整开关管工作频率，来调整主电路增益，来稳定输出电压，然后再进行V_ce检测；进行V_ce耐压值检测后，判断V_ce耐压值是否等于0，若耐压值不为0，没有实现零电压开通，则减小开关管占空比；若耐压值为0，则保持开关管的工作频率和占空比，向副边传递能量。

本发明为保证实现零电压开通，增加V_ce检测电路，当检测到V_ce下降到0与V_ge变为高电平之间的时间差减小到一定值时，降低驱动信号V_ge的占空比，以便能继续增加开关管工作频率f_s。这样通过变频+变占空比的控制方式便可达到控制输出电压稳定的目的。

本发明的有益效果：

本发明采用单管逆变，电路结构新颖、简单，功率大，相同功率下，成本低，具有非常广的市场前景。

附图说明

图1是本发明无线电能传输功率控制***原理图；

图2是本发明无线电能传输功率控制方法流程图；

图3是本发明无线电能传输***的主电路电压增益图；

图4是本发明无线电能传输***主电路的工作波形图，V_ge为驱动信号，I_ce为开关管电流，V_ce为开关管耐压，为发射线圈L_p电流，为原边补偿电容C_p。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

参照图1，一种无线电能传输功率控制***，包括原边电路和副边电路，主要由交流输入电路、全桥整流电路、LC滤波电路、电压检测电路、原边补偿电容C_p、原边发射线圈L_p、副边接收线圈L_s、副边补偿电容C_s、全桥整流电路、输出滤波电路、电流检测电路、单片机控制电路、驱动电路和开关管Q组成，电感L_i和电容C_i组成LC滤波电路，用于提高电路的功率因数，代替传统IPT***里的锁相环电路；电阻R₁和R₂组成电压检测电路，用于检测LC滤波后的电压，判断IPT***的输入电压是否过压或欠压；原边发射线圈L_p、原边补偿电容C_p、副边接收线圈L_s及副边补偿电容C_s组成谐振耦合网络，C_p对L_p进行谐振补偿，C_s对L_s进行谐振补偿；通过V_ce检测电路实现开关管Q的零电压开通和零电压关断；单片机控制电路用于控制功率传输，并通过驱动电路，控制开关管Q。

220V_ac经全桥整流、LC滤波后转换成峰值310V的电压，单管逆变电路将该电压转换为高频方波电压并施加到L_p的两端，由L_p将能量传递给L_s，L_s两端的电压经全桥整流和电容C_o滤波后转换成有效值为220V的电压供负载使用。电压检测电路和电流检测电路一起用于调控IPT***的输出功率。

参照图2，一种无线电能传输功率控制方法，包括以下步骤：

电路上电，首先判断是否有负载，若无负载则待机，若有负载则进入工作状态；进入工作状态后，检测输入电压、输入电流值判断功率变化，若功率没有发生变化，则直接检测V_ce耐压值；若功率发生变化，则通过调整开关管工作频率，来调整主电路增益，来稳定输出电压，然后再进行V_ce检测；进行V_ce耐压值检测后，判断V_ce耐压值是否等于0，若耐压值不为0，没有实现零电压开通，则减小开关管占空比；若耐压值为0，则保持开关管的工作频率和占空比，向副边传递能量。

本发明为保证实现零电压开通，增加V_ce检测电路，当检测到V_ce下降到0与V_ge变为高电平之间的时间差减小到一定值时，降低驱动信号V_ge的占空比，以便能继续增加开关管工作频率f_s。这样通过变频+变占空比的控制方式便可达到控制输出电压稳定的目的。

原、副边谐振频率设定

副边谐振频率的设定：为了使输出功率最大，需要将副边接收线圈L_s、副边补偿电容C_s的谐振频率设置在开关管Q的开关频率处，即开关频率

原边谐振频率的设定：原边补偿电容C_p需满足以下公式

$C_p=\frac{L_p-\frac{M^2}{L_s}}{{\left(\frac{M^2\·R}{{L_s}^2}\right)}^2+{(2\·\mathrm{\π}\·f_p\·L_p-\frac{2\·\mathrm{\π}\·f_p\·M^2}{L_s})}^2}$

其中，M为原边发射线圈L_p与副边接收线圈L_s的互感，f_p为原边发射线圈L_p与原边补偿电容C_p的谐振频率。为了使开关管Q实现零电压开通，需保证一定的死区时间。通常t2-t6对应的时间为半个谐振周期(1/(2·f_p))，所以需满足1/(2·f_p)＜1／(2·f_s)，才能实现零电压开通。但是本发明中，由于在t2、t6时刻的电压为输入电压，不为0，故t2-t6对应的时间不是半个谐振周期，其真正半个谐振周期对应的时间为t3-t5，故f_p需要特别设置。

传输功率控制方式----变频+变占空比

图3中a＝L_p／L_s，电压增益为输出电压比输入电压，即U_o／U_i，由电压增益曲线知，不同a值，电压增益曲线不同，最大电压增益点也不同。当a确定时，改变驱动信号频率可改变电压增益，从而调节功率输出。同时，由工作过程可知，为实现零电压开通，必须保证一定的死区时间。当驱动频率增大到一定值时，无法保证零电压开通，此时在增大频率的同时，需要通过降低占空比来保证零电压开通。通过电压检测、电流检测，判断输出功率的变化，来相应的调节开关管工作频率和占空比。

如图4所示，时段t0--t1：驱动信号V_ge变为高电平，电感电流为负，开关管Q没有导通；

时段t1--t2：电感电流变为正，开关管Q开始导通，该阶段是向副边传递能量的阶段；

时段t2--t3：驱动信号V_ge变为低电平，开关管Q关断，电感电流通过电容C_p续流，电容C_p放电，电压V_ce缓慢上升，为零电压关断，到t3时刻，电压降为0；

时段t3--t4：电感电流给电容C_p反向充电，C_p的电压达到最大值，开关管Q耐压V_ce在t4时刻达到最大值，电感电流由正变负；

时段t4--t5：电容C_p放电，电感电流为负，到t5时刻，电容电压降为0；

时段t5--t6：电感电流为负，开关管Q的耐压V_ce降为0；

时段t6--t7：阶段t6-t7为死区时间，电感电流仍为负，且通过开关管Q的体二极管续流，开关管Q的耐压V_ce降为0，到t7时刻，驱动信号V_ge到来，开关管Q零电压开通。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种无线电能传输功率控制***，其特征在于，包括交流输入电路、原边全桥整流电路、LC滤波电路、电压检测电路、原边补偿电容C_p、原边发射线圈L_p、副边接收线圈L_s、副边补偿电容C_s、副边全桥整流电路、输出滤波电路、电流检测电路、单片机控制电路、驱动电路和开关管Q，电感L_i和电容C_i组成LC滤波电路，用于提高电路的功率因数；电阻R₁和R₂组成电压检测电路，用于检测LC滤波后的电压，判断无线电能传输IPT***的输入电压是否过压或欠压；原边发射线圈L_p、原边补偿电容C_p、副边接收线圈L_s及副边补偿电容C_s组成谐振耦合网络，原边补偿电容C_p对原边发射线圈L_p进行谐振补偿，副边补偿电容C_s对副边接收线圈L_s进行谐振补偿；通过检测开关管Q的集电极和发射极之间的电压V_ce来实现开关管Q的零电压开通和零电压关断；单片机控制电路用于控制功率传输，并通过驱动电路，控制开关管Q；

220V_ac经全桥整流、LC滤波后转换成峰值310V的电压，单管逆变电路将该电压转换为高频方波电压并施加到原边发射线圈L_p的两端，由原边发射线圈L_p将能量传递给副边接收线圈L_s，副边接收线圈L_s两端的电压经全桥整流和电容C_o滤波后转换成有效值为220V的电压供负载使用，电压检测电路和电流检测电路一起用于调控无线电能传输IPT***的输出功率。

2.一种使用如权利要求1所述的无线电能传输功率控制***的无线电能传输功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

220V_ac端接入工频市电，首先判断是否有负载，若无负载则待机，若有负载则进入工作状态；进入工作状态后，检测输入电压、输入电流值判断功率变化，若功率没有发生变化，则直接检测开关管Q的集电极和发射极之间的电压V_ce的耐压值；若功率发生变化，则通过调整开关管工作频率，来调整主电路增益，稳定输出电压，然后再进行V_ce检测；进行V_ce耐压值检测后，判断V_ce耐压值是否等于0，若耐压值不为0，没有实现零电压开通，则减小开关管占空比；若耐压值为0，则保持开关管的工作频率和占空比，向副边传递能量。