CN106961221A - 具有恒流输出特性的无线电能传输用lc/s补偿拓扑电路 - Google Patents

具有恒流输出特性的无线电能传输用lc/s补偿拓扑电路 Download PDF

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Abstract

具有恒流输出特性的无线电能传输用LC/S补偿拓扑电路，涉及无线电能传输技术领域。本发明是为了解决已存在的无线电能传输补偿拓扑若想改变***的最大输出功率，需要重新制作松耦合变压器或者增加补偿元件数目，耗时耗力，效率低，并且增加了损耗的问题。直流电压源正极连H桥上桥臂共联节点，直流电压源负极连H桥下桥臂共联节点，L1左端和C1下端分别跨接于H桥上、下桥臂中点，L1右端和C1下端分别跨接于原边耦合线圈两端，阻性负载两端分别与二极管整流桥上下桥臂的共联节点连，并联电容滤波器与阻性负载并联，副边线圈两端分别连副边补偿电容左端和整流桥上桥臂中点，副边补偿电容右端连整流桥上桥臂中点。它用于无线电能传输中。

Description

具有恒流输出特性的无线电能传输用LC/S补偿拓扑电路
技术领域
本发明涉及具有恒流输出特性的无线电能传输用LC/S补偿拓扑电路，属于无线电能传输技术领域。
背景技术
与传统的缆线电能传输方式相比，无线电能传输作为一种新的电能传输方法，具有非常明显的优点，如更加方便、安全可靠、不受外部天气状况的影响等，因此，无线电能传输技术在各个领域获得了广泛的应用。合适的补偿拓扑能够有效地降低电源的功率等级，提高***的功率因素，同时获得良好的输出特性，但是已有的补偿拓扑存在如下问题：
1、***最大输出功率受到松耦合变压器参数的限制
目前一些无线电能传输的补偿拓扑中，如SS、SP、PS、PP、S/SP补偿拓扑，***最大输出功率与松耦合变压器参数直接相关，只要松耦合变压器参数确定，***最大输出功率就确定。若想改变***的最大输出功率，需要重新制作松耦合变压器，但是制作符合要求的松耦合变压器需要大量的时间和人力，成本过高，效率低下。
2、补偿模型过于理想化，不合实际
理想情况下的理论分析表明，双边LCL补偿拓扑的输出特性等性能指标均满足要求，但在实际应用时，双边LCL补偿拓扑不满足要求，主要原因是补偿模型过于理想。
3、补偿元件数目过多，***成本较高，尺寸较大，损耗较多
双边LCC补偿拓扑的输出特性等性能指标均满足要求，但是双边LCC补偿拓扑需要6个补偿元件(4个补偿电容，2个补偿电感)，导致***成本、尺寸及损耗的增加。
发明内容
本发明是为了解决已存在的无线电能传输补偿拓扑若想改变***的最大输出功率，需要重新制作松耦合变压器或者增加补偿元件数目，耗时耗力，效率低，并且增加了损耗的问题。现提供具有恒流输出特性的无线电能传输用LC/S补偿拓扑电路。
具有恒流输出特性的无线电能传输用LC/S补偿拓扑电路，它包括原边电源电路和副边负载电路，
原边电源电路包括直流电压源Uin、全桥逆变器、LC补偿电路和松耦合变压器的原边耦合线圈LP，LC补偿电路包括原边补偿电感L1和原边补偿电容C1，
直流电压源Uin的正极连接全桥逆变器两个上桥臂的共联节点，直流电压源Uin的负极连接全桥逆变器两个下桥臂的共联节点，
原边补偿电感L1的一端连接全桥逆变器的一个上、下桥臂的中点，原边补偿电容C1的一端同时连接全桥逆变器的另一个上、下桥臂的中点和松耦合变压器的原边耦合线圈LP的一端，原边补偿电感L1的另一端同时连接原边补偿电容C1的另一端和松耦合变压器的原边耦合线圈LP的另一端，
副边负载电路包括松耦合变压器的副边耦合线圈LS、副边补偿电容C2、二极管全波整流桥、并联电容滤波器CF和阻性负载RL，
松耦合变压器的副边耦合线圈LS的一端连接副边补偿电容C2的一端，副边补偿电容C2的另一端连接二极管全波整流桥的一个上、下桥臂的中点，松耦合变压器的副边耦合线圈LS的另一端连接二极管全波整流桥的另一个上、下桥臂的中点，并联电容滤波器CF的一端连接二极管全波整流桥的两个上桥臂的共联节点，并联电容滤波器CF的另一端连接二极管全波整流桥两个下桥臂的共联节点，阻性负载RL并联在电容滤波器CF的两端。
本发明的有益效果为：
本申请的具有恒流输出特性的无线电能传输用LC/S补偿拓扑电路具有以下三个方面的有益效果：
(1)采用LC/S补偿拓扑，***最大输出功率不受松耦合变压器参数的限制，能够在不更换松耦合变压器的前提下改变***最大输出功率，从而达到节省时间和人力、降低成本、提高效率的目的。
(2)LC/S补偿拓扑具有良好的恒流输出特性，***控制电路的设计大大简化，间接提高***可靠性，降低***成本。
(3)改变负载电路中的串联补偿电容，LC/S补偿拓扑的输入阻抗角即会改变，该补偿拓扑易于实现ZVS软开关(零电压开关)，软开关参数设计简单，电路调试容易；***损耗较低，效率较高。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的具有恒流输出特性的无线电能传输用LC/S补偿拓扑的电路图；
图2为LC/S补偿拓扑分析电路图；
图3为具体实施方式二中的互感模型的电路图；
图4为ZVS软开关时全桥逆变器输出的电压和电流波形图；
图5为输入零相角时全桥逆变器输出的电压和电流波形图；
图6为负载变化过程中负载电流波形图；
图7为输出功率随输入电压和补偿参数变化的关系图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的具有恒流输出特性的无线电能传输用LC/S补偿拓扑电路，它包括原边电源电路和副边负载电路，
原边电源电路包括直流电压源Uin、全桥逆变器、LC补偿电路和松耦合变压器的原边耦合线圈LP，LC补偿电路包括原边补偿电感L1和原边补偿电容C1，
直流电压源Uin的正极连接全桥逆变器两个上桥臂的共联节点，直流电压源Uin的负极连接全桥逆变器两个下桥臂的共联节点，
原边补偿电感L1的一端连接全桥逆变器的一个上、下桥臂的中点，原边补偿电容C1的一端同时连接全桥逆变器的另一个上、下桥臂的中点和松耦合变压器的原边耦合线圈LP的一端，原边补偿电感L1的另一端同时连接原边补偿电容C1的另一端和松耦合变压器的原边耦合线圈LP的另一端，
副边负载电路包括松耦合变压器的副边耦合线圈LS、副边补偿电容C2、二极管全波整流桥、并联电容滤波器CF和阻性负载RL，
松耦合变压器的副边耦合线圈LS的一端连接副边补偿电容C2的一端，副边补偿电容C2的另一端连接二极管全波整流桥的一个上、下桥臂的中点，松耦合变压器的副边耦合线圈LS的另一端连接二极管全波整流桥的另一个上、下桥臂的中点，并联电容滤波器CF的一端连接二极管全波整流桥的两个上桥臂的共联节点，并联电容滤波器CF的另一端连接二极管全波整流桥两个下桥臂的共联节点，阻性负载RL并联在电容滤波器CF的两端。
实施例：
***已知参数如表1所示。
表1***已知参数
***工作频率为85kHz，***工作角频率为0.534×105rad/s，由公式1至3分别求得***等效交流电压源基波有效值UAB、***等效电阻RE、松耦合变压器互感M，依次为90.03V、32.42Ω和102.57μH。再根据式公式4和5求得原边补偿电感L1、原边补偿电容C1分别为317.3μH和26.63nF。然后由公式7求出C1'，其值为11.05nF。最后根据公式6求出副边补偿电容C2为22.89nF。***待定参数列于表2中。
表2***待定参数
根据上述参数搭建样机。图4是ZVS软开关时全桥逆变器输出电压、电流波形，从图4中可以看出电压超前电流约30°。将副边补偿电容值由22.89nF增大为29.09nF(超前角为0°时根据公式6求得)，全桥逆变器输出电压、电流波形如图5所示，超前角明显减小，接近于0°，说明LC/S补偿拓扑输入阻抗角调节方便，ZVS软开关实现容易。图6是负载变化过程中负载电流波形图，起始时负载为40Ω，此时输出电流为1.04A，之后负载突降为24.4Ω，负载电流突变为1.7A，之后逐渐下降，经过约100ms后稳定为1.04A，尽管负载减小了39％，负载电流却没有任何变化，说明了LC/S补偿拓扑优异的恒流输出特性。图7是***输出功率随输入电压和补偿参数变化关系，附图标记1对应表2中的补偿参数(L1、C1和C2)，附图标记2对应的补偿参数为L1＝201.3μH，C1＝33.35nF，C2＝22.89nF，这两条曲线说明采用LC/S补偿拓扑的无线电能传输***，不更换松耦合变压器，仅改变补偿参数值，即可改变***输出功率。
具体实施方式二：参照图2和图3具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的具有恒流输出特性的无线电能传输用LC/S补偿拓扑电路作进一步说明，本实施方式中，将直流电压源Uin和全桥逆变器等效为交流电压源UAB，将二极管全波整流桥、并联电容滤波器CF和阻性负载RL用等效电阻RE代替，松耦合变压器用互感模型代替，将原边补偿电容C1分成电容C1'和电容C1”，电容C1'和电容C1”并联连接，
根据公式：
获得交流电压源UAB的电压(有效值)，
其中，Uin为直流输入电压，α为移相角；
根据公式：
获得等效电阻RE的阻值，
其中，RL为阻性负载；
根据公式：
获得松耦合变压器的互感M，
其中，k为松耦合变压器原、副边线圈耦合系数，LP为原边耦合线圈自感，LS为副边耦合线圈自感。
本实施方式中，LC/S补偿拓扑分析电路如图2所示。采用基波分析法分析LC/S补偿拓扑功能，直流电压源和全桥逆变器等效为交流电压源UAB，UAB是有效值，可通过公式1求得，全波整流桥、并联电容滤波器和阻性负载用等效电阻RE代替，其值可通过公式2求得。松耦合变压器(LP、LS、k)用其互感模型代替，图2中，j是虚数单位，ω是全桥逆变器工作角频率(以下称为***工作角频率)，M是松耦合变压器的互感，其值可通过公式3求得，IP和IS分别是原、副边耦合线圈电流(有效值)，电流方向如图2所示。
原边LC补偿电路中，原边补偿电容C1的一部分C1'与原边补偿电感L1在***工作角频率处谐振，实现恒流输出特性；原边补偿电容C1的另一部分C1”与松耦合变压器的原边耦合线圈LP在***工作角频率处谐振，实现恒压输出特性；CL谐振腔的输出电压等于-jωMIS，因此原边恒压输出意味着副边恒流输出。
副边串联补偿电容被称为移相电容，其主要用途是调节***输入阻抗角，实现ZVS软开关(零电压开关)。
图1中的已知参数包括：
1)直流输入电压：Uin
2)负载电流：IRL
3)负载阻值：RL
4)松耦合变压器原、副边自感及耦合系数：LP、LS、k
5)移相角：α
6)超前角(全桥逆变器输出电压基波超前电流基波的角度)：β
待定参数包括：
1)***工作(角)频率：f(ω)
2)原边补偿电感值：L1
3)原边补偿电容值：C1
4)副边补偿电容值：C2
5)滤波电容值：CF。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的具有恒流输出特性的无线电能传输用LC/S补偿拓扑电路作进一步说明，本实施方式中，原边补偿电感L1的计算公式为：
式中，IRL为负载电流，ω为***工作角频率，
原边补偿电容C1的计算公式为：
副边补偿电容C2的计算公式为：
式中，C1'是和原边补偿电感L1谐振的电容，可由公式7求得，β为超前角，
本实施方式中，根据无线充电标准J2954TM，选取***工作频率为85kHz，对应的***工作角频率为0.534×105rad/s。
CF主要取决于负载电压纹波要求，根据负载电压纹波适当增减滤波电容值，在***功率小于1kW时，取值通常在220～1000μF之间。

Claims (3)

1.具有恒流输出特性的无线电能传输用LC/S补偿拓扑电路，其特征在于，它包括原边电源电路和副边负载电路，
原边电源电路包括直流电压源Uin、全桥逆变器、LC补偿电路和松耦合变压器的原边耦合线圈LP，LC补偿电路包括原边补偿电感L1和原边补偿电容C1，
直流电压源Uin的正极连接全桥逆变器两个上桥臂的共联节点，直流电压源Uin的负极连接全桥逆变器两个下桥臂的共联节点，
原边补偿电感L1的一端连接全桥逆变器的一个上、下桥臂的中点，原边补偿电容C1的一端同时连接全桥逆变器的另一个上、下桥臂的中点和松耦合变压器的原边耦合线圈LP的一端，原边补偿电感L1的另一端同时连接原边补偿电容C1的另一端和松耦合变压器的原边耦合线圈LP的另一端，
副边负载电路包括松耦合变压器的副边耦合线圈LS、副边补偿电容C2、二极管全波整流桥、并联电容滤波器CF和阻性负载RL，
松耦合变压器的副边耦合线圈LS的一端连接副边补偿电容C2的一端，副边补偿电容C2的另一端连接二极管全波整流桥的一个上、下桥臂的中点，松耦合变压器的副边耦合线圈LS的另一端连接二极管全波整流桥的另一个上、下桥臂的中点，并联电容滤波器CF的一端连接二极管全波整流桥的两个上桥臂的共联节点，并联电容滤波器CF的另一端连接二极管全波整流桥两个下桥臂的共联节点，阻性负载RL并联在电容滤波器CF的两端。
2.根据权利要求1所述的具有恒流输出特性的无线电能传输用LC/S补偿拓扑电路，其特征在于，将直流电压源Uin和全桥逆变器等效为交流电压源UAB，将二极管全波整流桥、并联电容滤波器CF和阻性负载RL用等效电阻RE代替，松耦合变压器用互感模型代替，将原边补偿电容C1分成电容C1'和电容C1”，电容C1'和电容C1”并联连接，
根据公式：
获得交流电压源UAB的电压，
其中，Uin为直流输入电压，α为移相角；
根据公式：
获得等效电阻RE的阻值，
其中，RL为阻性负载；
根据公式：
获得松耦合变压器的互感M，
其中，k为松耦合变压器原、副边线圈耦合系数，LP为原边耦合线圈自感，LS为副边耦合线圈自感。
3.根据权利要求2所述的具有恒流输出特性的无线电能传输用LC/S补偿拓扑电路，其特征在于，原边补偿电感L1的计算公式为：
式中，IRL为负载电流，ω为工作角频率，
原边补偿电容C1的计算公式为：
副边补偿电容C2的计算公式为：
式中，β为超前角。
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