CN105245035A - 一种基于磁谐振耦合无线电能传输的变频电路 - Google Patents

Abstract

一种基于磁谐振耦合无线电能传输的变频电路，所述电路通过磁谐振耦合实现无线电能的传输；利用同步改变原副边谐振电容容值的方式同步改变原副边谐振频率，进行频率变换。所述原边谐振电容和副边谐振电容均由超过一个电力电子开关控制的电容器构成谐振电容组变换模块；所述电路通过对原边和副边所有电力电子交流开关的控制完成谐振电容组容值的控制与变换，实现原、副边谐振电容容值控制与变换，并最终改变无线电能传输的谐振频率。本发明采用电力电子交流开关控制变电容技术，实现了无线电能传输谐振频率变换任务；电路结构新颖、可靠、实用。本发明可用无线电能传输应用的所有领域，如建筑电气、绿色能源、家用电器、充电器等场合均能广泛应用。

Description

一种基于磁谐振耦合无线电能传输的变频电路

技术领域

本发明涉及一种基于磁谐振耦合无线电能传输的变频电路，属无线电能传输变换技术领域。

背景技术

磁谐振耦合无线电能传输技术采用高频谐振耦合方案，要求原边发送线圈与副边接受线圈的谐振频率相同或相近。磁谐振耦合无线电能传输技术在实际使用中，不同的原、副边距离时，原、副边谐振频率不同时具有不同的***接受效率。如对原、副边不同的距离同步调整谐振频率可以提高***效率。此项技术可以提高无线传输技术的可用性与灵活性，推动无线电能技术的发展，有良好的应用前景。

无线电能传输技术中关于负载与谐振频率方面已有相关研究，其中有在变负载工况下采用相控动态开关电感方案以使输出电压恒定的方法，如M.Yang,X.Li,Z.Ao,Y.Wang,“TransferredPowerControlforICPTPick-upsUtilizingDynamicallySwitchedInductor”,Proceedingsofthe2012InternationalConferenceonFutureEnergy,Environment,andMaterials,EnergyProcedia16,2012,pp.1440–1447。无线电能传输技术中变换谐振频率从原理上看为变换谐振电感或谐振电容来实现。如果考虑到电感具备饱和特性，如不采用空心电感则变电感方案实现将相对复杂，精度控制要求较高。

发明内容

本发明的目的是，提供一种基于磁谐振耦合无线电能传输的变频电路技术方案。

本发明实现的技术方案为，一种基于磁谐振耦合无线电能传输的变频电路通过磁谐振耦合实现无线电能的传输；利用同步改变原、副边谐振电容容值的方式同步改变原、副边谐振频率，进行频率变换。

本发明一种基于磁谐振耦合无线电能传输的变频电路，包括：原边谐振电路与副边谐振电路，谐振电路均为谐振电感（线圈）与谐振电容组成。

所述谐振电容包括原边谐振电容和副边谐振电容。所述原边谐振电容和副边谐振电容均由一个或多个电力电子交流开关控制的电容器构成谐振电容组变换模块；所述电路通过对原边和副边所有电力电子交流开关的控制完成谐振电容组容值的控制与变换，实现原、副边谐振电容容值控制与变换，并最终改变无线电能传输的谐振频率。

所述谐振电容组变换模块由电力电子交流开关S₁、S₂、…、S_m、…、S_n和电容C₁、C₂、…、C_m、…、C_n构成；每个电力电子交流开关控制一个电容，电力电子交流开关S₁、S₂、…、S_m、…、S_n分别控制对应的电容C₁、C₂、…、C_m、…、C_n。当电力电子交流开关S₁开通时，电容C₁接入谐振电容组；当电力电子交流开关S₁关断时，电容C₁退出谐振电容组，通过电力电子交流开关S₁对电容C₁进行控制。同理，通过电力电子交流开关S₂、…、S_m、…、S_n分别对电容C₂、…、C_m、…、C_n进行控制。通过对所有电力电子交流开关S₁、S₂、…、S_m、…、S_n的控制完成对谐振电容组容值的控制与变换。

所述电力电子交流开关采用两个同型号金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET反向串联构成，且两管的栅极并联构成电力电子交流开关的控制端G，两管的源极串联构成公共端S，两管的漏极构成电力电子交流开关的两个外部电流端子D₁与D₂；当所述控制端和所述公共端两端施加正向驱动电压时，电力电子交流开关开通，外部电流端子D₁与D₂具备电流导通能力，当所述控制端和所述公共端两端不施加驱动电压或施加反向驱动电压时电力电子交流开关关断，外部电流端子D₁与D₂之前不再有电流流通。

所述电容C₁、C₂、…、C_m、…、C_n可以是单个独立电容，也可以是若干个电容组成的电容组；若为电容组，其构成可以采用相同或型号与大小不同的电容组成；同时电容C₁、C₂、…、C_m、…、C_n其构成可以相同也根据需求灵活选择不同型号与不同值。

所述MOSFET管可采用N沟道结构，还可采用P沟道结构。

所述谐振电容组变换模块中，各个电力电子交流开关S₁、S₂、…、S_m、…、S_n构成规格可以相同，也可以规格不同。

所述无线电能传输的变频电路包括4类基本结构：原边电感（原边线圈）与原边电容串联、副边电感（副边线圈）与副边电容串联；原边电感（原边线圈）与原边电容串联、副边电感（副边线圈）与副边电容并联；原边电感（原边线圈）与原边电容并联、副边电感（副边线圈）与副边电容串联；原边电感（原边线圈）与原边电容并联、副边电感（副边线圈）与副边电容并联。

本发明一种基于磁谐振耦合无线电能传输的变频电路适用于不同的原副边电路，原边前端电路可为任意适当电路，副边后端电路可为任意适当电路。

本发明的有益效果是，本发明利用同步改变原、副边谐振电容的方式同步改变原、副边谐振频率，实现了无线电能传输的变频。采用变频方案可增加无线电能技术的灵活性与适应性，具备重大的理论价值与广阔应用前景，有力地推动无线电能传输技术的发展。本发明电路结构新颖、可靠、实用。本发明可用无线电能传输应用的所有领域，如建筑电气、绿色能源、家用电器、充电器等场合均能广泛应用；在各类非固定式无线电能传输技术应用领域均有良好的应用前景。

附图说明

图１为本发明一种基于磁谐振耦合无线电能传输的变频电路示意图；

其中，L_P为原边谐振电感（线圈），L_S为副边谐振电感（线圈），C_P为原边谐振电容组，C_S为副边谐振电容组；

附图2为本发明一种基于磁谐振耦合无线电能传输的变频电路的MOSFET双向开关电路图；

附图3为本发明一种基于磁谐振耦合无线电能传输的变频电路的原、副边谐振电容组电力电子交流开关控制电路图；

其中，S₁、S₂、…S_m、…、S_n均为电力电子交流开关，C_R为谐振电容组，原边谐振电容组与副边谐振电容组电路均与C_R类同。

具体实施方式

本发明实施例结合附图进一步说明。

附图1为本发明一种基于磁谐振耦合无线电能传输的变频电路谐振电容控制电路示意图。

无线电能传输模块，通过原、副边线圈进行能量传输。发送线圈L_P与接收线圈L_S可以采用两个相同线圈也可以采用不同线圈。线圈L_P与电容C_P构成原边谐振电路；线圈L_S与电容C_S构成副边谐振电路。原边谐振电路谐振频率f_P与副边谐振电路的谐振频率f_S相同或相近，谐振频率相同或相近是磁谐振耦合无线电能传输的前提实现基于无线电能传输的高频驱动实时变频则原、副边线圈谐振频率必须同步。

原、副边的谐振频率由参与谐振的电感与电容所决定，如需变频则需改变谐振电感或谐振电容的大小。采用变电容方案，通过改变并联电容的大小与数目对电容容值进行控制。原、副边线圈采用相同线圈，原、副边电容与采用相同型号规格以利于同步改变而使谐振同步。

附图2为本发明一种基于磁谐振耦合无线电能传输的变频电路的MOSFET电力电子交流开关电路。

本发明电路的电力电子交流开关采用两个金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET反向串联构成。当施加正向驱动电压U_GS时，上管Q₁下管Q₂均能开通。如开关外部电流从D₁流向D₂时，上管Q₁工作于正向电流状态，下管Q₂工作于同步整流工况；当电流为从D₂流向D₁时，上管Q₁工作于同步整流工况，下管Q₂工作于正向电流状态。当施加驱动电压之后，不论电流流向，电力电子交流开关都将导通。当去除驱动电压或施加反向电压时，电力电子交流开关关断。

两个MOSFET反向串联之后将体二极管的通路封闭，电流不会从体二极管流通导致电路失控。

在应用中，MOSFET管可以采用硅管或碳化硅（SiC）管，其满足使用要求的前提下，同一电力电子交流开关的两个MOSFET管所用型号可以相同也可不同。实际使用中MOSFET管除可采用N沟道之外，也可以采用P沟道，其工作原理与N沟道MOSFET管类似，不再阐述。

附图3为本发明一种基于磁谐振耦合无线电能传输的变频电路的电力电子交流开关控制谐振电容电路图。

谐振电容采取各个不同大小的电容并联组合处理方式，通过控制开关的通断控制谐振电容的大小，从而进行谐振频率控制。图1中的C_P与C_S均由图3所示电路构建的谐振电容组C_R替换，当需变换原、副边谐振频率时，通过控制开关S₁~S_m，改变谐振电容的大小来改变其谐振频率。

当给G₁施加驱动信号时，电力电子交流开关Q₁导通，电容C₁接通，加入控制谐振电容；而将G₁驱动信号去掉时，电力电子交流开关Q₁关断，电容C₁退出谐振电容。同理，可以接通与关断电容C₂、C₃、…、C_m、…、C_n等所有电容。接通与关断哪些电容与实际需求所确定。电容C₂、C₃、…、C_m、…、C_n可以完全相同，也可以根据实际需求，灵活选择不同大小与型号。

各个不同的电力电子交流开关驱动电路采用隔离驱动方案，具备相关电气知识的人员均可设计，此处不再给出具体电路。

本发明采用电力电子交流开关控制变电容技术，实现了无线电能传输下的谐振变频任务；电路结构新颖、可靠、实用。本发明可用于各类无线电能传输技术应用场合，包括但不限于无线充电领域、无线电能输电领域、建筑电气及绿色新能源领域等等场合可广泛应用。

本发明在附图中给出的无线电能传输的电路拓扑为原边串联、副边并联方案，但不仅限于此类拓扑，本发明包括原边串联、副边串联方案，原边并联、副边串联方案，原边并联、副边并联方案等电路拓扑方案同样适用。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于磁谐振耦合无线电能传输的变频电路，其特征在于，所述电路通过磁谐振耦合实现无线电能的传输；所述磁谐振耦合变频是利用同步改变原、副边谐振电容容值的方式同步改变原、副边谐振频率，进行频率变换；所述原边谐振电容和副边谐振电容均由一个或多个电力电子交流开关控制的电容器构成谐振电容组变换模块；所述电路通过对原边和副边谐振电容组变换模块的所有电力电子交流开关的控制完成谐振电容组容值的控制与变换，实现原、副边谐振电容容值控制与变换，并最终改变无线电能传输的谐振频率。

2.根据权利要求１所述的一种基于磁谐振耦合无线电能传输的变频电路，其特征在于，所述谐振电容组变换模块由电力电子交流开关S₁、S₂、…、S_m、…、S_n和电容C₁、C₂、…、C_m、…、C_n构成；每个电力电子交流开关控制一个电容，电力电子交流开关S₁、S₂、…、S_m、…、S_n分别控制对应的电容C₁、C₂、…、C_m、…、C_n；当电力电子交流开关S₁开通时，电容C₁接入谐振电容组；当电力电子交流开关S₁关断时，电容C₁退出谐振电容组，通过电力电子交流开关S₁对电容C₁进行控制；同理，通过电力电子交流开关S₂、…、S_m、…、S_n分别对电容C₂、…、C_m、…、C_n进行控制；通过对所有电力电子交流开关S₁、S₂、…、S_m、…、S_n的控制，完成对谐振电容组容值的控制与变换。

3.根据权利要求１所述的一种基于磁谐振耦合无线电能传输的变频电路，其特征在于，所述电力电子交流开关采用两个同型号金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET反向串联构成，且两管的栅极并联构成电力电子交流开关的控制端G，两管的源极串联构成公共端S，两管的漏极构成电力电子交流开关的两个外部电流端子D₁与D₂；当所述控制端和所述公共端两端施加正向驱动电压时，电力电子交流开关开通，外部电流端子D₁与D₂具备电流导通能力，当所述控制端和所述公共端两端不施加驱动电压或施加反向驱动电压时电力电子交流开关关断，外部电流端子D₁与D₂之前不再有电流流通。

4.根据权利要求２所述的一种基于磁谐振耦合无线电能传输的变频电路，其特征在于，所述电容C₁、C₂、…、C_m、…、C_n可以是单个独立电容，也可以是若干个电容组成的电容组；若为电容组，其构成可以采用相同或型号与大小不同的电容组成；同时电容C₁、C₂、…、C_m、…、C_n其构成可以相同，也可选择不同型号与不同值。

5.根据权利要求３所述的一种基于磁谐振耦合无线电能传输的变频电路，其特征在于，所述MOSFET管采用N沟道，或采用P沟道。

6.根据权利要求３所述的一种基于磁谐振耦合无线电能传输的变频电路，其特征在于，所述谐振电容组变换模块中，各个电力电子交流开关S₁、S₂、…、S_m、…、S_n构成可以规格相同，也可以规格不同。

7.根据权利要求１所述的一种基于磁谐振耦合无线电能传输的变频电路，其特征在于，所述无线电能传输的变频电路结构包括4类：原边电感与原边电容串联、副边电感与副边电容串联；原边电感与原边电容串联、副边电感与副边电容并联；原边电感与原边电容并联、副边电感与副边电容串联；原边电感与原边电容并联、副边电感与副边电容并联。