CN103595262A - 一种无线充电***频率调节电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线充电***频率调节电路，包括逆变器，原边谐振电路，副边谐振电路，功率调节电路，所述逆变器的输入端连接有直流电源，所述功率调节电路的输出端连接有可变负载；所述原边谐振电路上连接有频率检测器，该频率检测器的输入端连接在原边谐振电容与激励线圈之间，该频率检测器的输出端输出原边谐振频率值f1到控制器的第一输入端，该控制器的第二输入端输入***设定谐振频率值f0，所述控制器的输出控制端与并联电容阵列相连，该并联电容阵列并联在所述原边谐振电容上，所述控制器根据所述原边谐振频率值f1与副边谐振频率值f0之差控制所述并联电容阵列的电容值。该电路结构简单，控制算法容易实现，能实现***最大能量传输。

Description

一种无线充电***频率调节电路
技术领域
本发明属于充电电路技术领域，具体涉及一种无线充电***频率调节电路。
背景方法
如图1所示，非接触式能量传输***主要由初级回路和次级回路组成。其中初级回路固定，主要由高频逆变器1和LC谐振电路组成，次级回路主要由拾取线圈，补偿电路，功率调节电路3以及可变负载组成，可在一定范围内移动，初级回路与次级回路之间不存在电气连接。初级回路主要完成电能的变换与发送，次级回路主要完成能量的拾取与功率调，***之间通过空间电磁耦合实现能量的传递。
随着科学技术的发展，非接触式能量传输技术已经得到广泛应用，例如大功率电气设备的非接触供电、小功率便携式电子装置的非接触充电、特殊环境下工作的电气设备的非接触供电等。该技术因其无接触火花，无器件磨损、易维护、安全性能好、低噪声、自动化程度高等优点，从而具有广阔的应用前景。
但是，由于受到负载变化以及次级回路移动距离的影响，***的谐振频率将会发生变化，特别是对于负载切换，当负载较小时，***谐振频率随着的增大而迅速增大；当增大到一定程度时，谐振频率趋于稳定；当增大到无穷大时，相当于负载开路，此时与谐振于某一固定频率。因此，并联拾取机构能够在较稳定的频率下携带大阻值负载。但是当负载过大时，***的谐振表现为传输无功功率，传输效率低，负载不能正常工作。
如图2所示，***传输功率和***谐振频率的关系曲线是一条抛物线，***工作频率在之间时，传输功率较大；在自然谐振频率点处，取最大值。此频率是拾取端的完全谐振频率，它的值由决定。 
因此，非接触式能量传输***中常常需要采用稳频控制策略。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种无线充电***频率调节电路，使其能够保证初级回路谐振频率的稳定性，实现能量的最大功率传输，满足使用需求。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
一种无线充电***频率调节电路，包括逆变器，原边谐振电路，副边谐振电路，功率调节电路，所述逆变器的输入端连接有直流电源，所述功率调节电路的输出端连接有可变负载；所述原边谐振电路上连接有频率检测器，该频率检测器的输入端连接在原边谐振电容与激励线圈之间，该频率检测器的输出端输出原边谐振频率值f1到控制器的第一输入端，该控制器的第二输入端输入***设定谐振频率值f0，所述控制器的输出控制端与并联电容阵列相连，该并联电容阵列并联在所述原边谐振电容上，所述控制器根据所述原边谐振频率值f1与副边谐振频率值f0之差控制所述并联电容阵列的电容值。
在一定负载范围内，原边谐振频率值f1随负载RL的增加而增大。通过频率检测器检测的谐振电流的实际工作频率f1，利用控制器4将实际频率f1与拾取端固有频率f0作比较，通过所得差值，控制电容阵列开关的通断，从而有效改变电容值大小，当负载RL增大时，工作频率f1大于固有谐振频率f0，即△f=f1-f0>0时，通过控制器控制并联电容阵列适当增大原边谐振电容的有效值以减小工作频率；当△f=f1-f0<0时，通过控制器控制并联电容阵列适当减小原边谐振电容的有效值以增大工作频率,最终保证***稳定地工作于固有谐振频率。
所述并联电容阵列由9个0.1 nF，9个1 nF以及9个10 nF的电容并联组成，每一个电容串接有一个控制开关，该并联电容阵列的可变范围为0～99.9 nF。
通过控制器控制相应控制开关的通断状态，可以实现并联电容阵列有效电容值在0～99.9 nF之间变化，调节步长为0.1nF。
所述原边谐振电路为串联式谐振回路，所述副边谐振电路为并联式谐振回路。
在谐振频率下，次级回路采用串联谐振结构时，次级电容压降和拾取线圈压降相抵消，***对负载输出等效为电压源。采用并联谐振结构时，流入次级电容中的电流与拾取线圈中的电流的无功分量相抵消，***对负载输出等效为电流源。
而初级回路，对于串联谐振电路，当输入电压为方波时，串联回路电流为正弦波。并联谐振电路，当输电流为方波时，并联谐振电路的两端电压波形为正弦波。
为提高***功率传输能力与效率，本***采用软开关串联—并联谐振模式。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点包括：电路结构简单，控制算法容易实现，***有较好的动态响应速度、稳定性和抗干扰性，在负载变化过程中，能够保证频率稳定，实现***最大能量传输。
附图说明
图1是非接触式能量传输***的电路原理框图；
图2是非接触式能量传输***功率与频率关系曲线图；
图3是本发明的电路原理框图；
图4是图3中并联电容阵列的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明，应当指出，对于本领域的普通方法人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。
如图1，图3所示，无线充电***频率调节电路，包括逆变器1，原边谐振电路Lp、Cp，副边谐振电路Ls、Cs，功率调节电路3；逆变器1为第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3以及第四开关管S4组成的桥式逆变电路，在逆变器1的输入端连接有直流电源Edc。原边谐振电路Lp、Cp由激励线圈Lp和原边谐振电容Cp组成的串联式谐振回路，所述副边谐振电路Ls、Cs是由拾取线圈Ls和副边谐振电容Cs组成的并联式谐振回路，在激励线圈Lp与拾取线圈Ls之间产生磁场耦合，从而实现原边向副边的非接触式能量传输，在功率调节电路3的输出端连接有可变负载RL。
原边谐振电路Lp、Cp上还连接有频率检测器4，该频率检测器4的输入端连接在原边谐振电容Cp与激励线圈Lp之间，该频率检测器4的输出端输出原边谐振频率值f1到控制器5的第一输入端，该控制器5的第二输入端还输入有副边谐振频率值f0，控制器5的输出控制端与并联电容阵列2相连，该并联电容阵列2并联在所述原边谐振电容Cp上，控制器5根据原边谐振频率值f1与副边谐振频率值f0控制所述并联电容阵列2的电容值。
如图4所示，并联电容阵列2由9个0.1 nF，9个1 nF以及9个10 nF的电容并联组成，分别为C1-0.1nF～C9-0.1nF、C1-1nF～C9-1nF以及C1-10nF～C9-10nF，每一个电容串接有一个控制开关，分别为K1-0.1nF～K9-0.1nF、K1-1nF～K9-1nF以及K1-10nF～K9-10nF，通过27个开关分别控制27个电容接入状态，使得该并联电容阵列2在0～99.9 nF范围内变化。
比如需要一个56.7nF的电容时，则通过控制器4接通开关K1-0.1nF～K7-0.1nF，K1-1nF～K6-1nF以及K1-10nF～K5-10nF，并联电容阵列2两端的电容值则为56.7nF。
本发明的工作原理是：当负载发生变化时，导致谐振频率f1发生变化，通过频率检测器4检测的谐振电流的实际工作频率f1，利用控制器4将实际频率f1与拾取端固有频率f0作比较，通过所得差值，控制电容阵列开关的通断，从而有效改变电容值大小，当负载RL增大时，工作频率f1大于固有谐振频率f0，即△f=f1-f0>0时，通过控制器控制并联电容阵列适当增大原边谐振电容的有效值以减小工作频率；当△f=f1-f0<0时，通过控制器控制并联电容阵列适当减小原边谐振电容的有效值以增大工作频率,最终保证***稳定地工作于固有谐振频率。
可见，电路结构简单，控制算法容易实现，***有较好的动态响应速度、稳定性和抗干扰性，在负载变化过程中，能够保证频率稳定，实现***最大能量传输。

Claims (3)

1.一种无线充电***频率调节电路，包括逆变器（1）、原边谐振电路（Lp、Cp）、副边谐振电路（Ls、Cs）、功率调节电路（3），所述逆变器（1）的输入端连接有直流电源（Edc），所述功率调节电路（3）的输出端连接有可变负载（RL）；其特征在于：所述原边谐振电路（Lp、Cp）上连接有频率检测器（4），该频率检测器（4）的输入端连接在原边谐振电容（Cp）与激励线圈（Lp）之间，该频率检测器（4）的输出端输出原边谐振频率值f1到控制器（5）的第一输入端，该控制器（5）的第二输入端输入***设定谐振频率值f0，所述控制器（5）的输出控制端与并联电容阵列（2）相连，该并联电容阵列（2）并联在所述原边谐振电容（Cp）上，所述控制器（5）根据所述原边谐振频率值f1与副边谐振频率值f0之差控制所述并联电容阵列（2）的电容值。
2.根据权利要求1所述的一无线充电***频率调节电路，其特征在于：所述并联电容阵列（2）由9个0.1 nF，9个1 nF以及9个10 nF的电容并联组成，每一个电容串接有一个控制开关，该并联电容阵列（2）有效电容值的可变范围为0～99.9 nF。
3.根据权利要求1所述的无线充电***频率调节电路，其特征在于：所述原边谐振电路（Lp、Cp）为串联式谐振回路，所述副边谐振电路（Ls、Cs）为并联式谐振回路。
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