CN107769544A - 用于无线电能传输***的负载端稳压电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于无线电能传输***的负载端稳压电路及其控制方法，包括交流电压源、能量接收线圈、补偿电容、第一和第二P‑Mosfet管、第一和第二N‑Mosfet管、第一和第二二极管、滤波电感和滤波电容；所述能量接收线圈的一端与交流电压源的一端连接，另一端与补偿电容的一极连接；交流电压源的另一端与补偿电容的另一极连接；所述第一、第二P‑Mosfet管的漏极d，第一和第二N‑Mosfet管的漏极d连接在一起；第一P‑Mosfet管的源极s与第一N‑Mosfet管的源极s连接；第二P‑Mosfet管的源极s与第二N‑Mosfet管的源极s连接；本发明使得电路工作在四种模态下。该电路实现了以输出电压为控制对象，以输出功率为控制目标，以期根据负载的需求实现***输出电压的稳定的功能。
Description
技术领域
本发明涉及稳压电路，具体地指用于无线电能传输***的负载端稳压电路及其控制方法。
背景技术
无线电能传输技术是一种综合利用电力电子技术、磁场耦合技术和现代控制理论等，通过能量发送端和能量负载端之间的耦合磁场实现电能从静止电源***向一个或多个移动用电设备的非电气直接接触电能传输的新技术。该技术实现了能量的无线传输，避免了导体连接部由于摩擦，腐蚀，和接触不良等原因造成的安全问题，特别适合应用于水下、易燃易爆等场合，具有很好的应用前景。
无线电能传输***常采用谐振的方式使***的输出功率最大化。在实际应用中，无线电能传输***的负载往往是要求可变的，但是在能量传输的过程中，负载的变化会造成***工作频率的漂移和电流的突变，最终导致输出电压不稳定。另一方面，无线电能传输***通常包含较多的储能元件，其***阶数一般高于3，由于包含非线性开关网络，***呈现出严重的开关非线性，需要借助复杂的建模方法和参数设计过程来设计稳压控制器。
目前无线电能传输***的稳压控制一般以电路形式的实现：在原边串联DC-DC变换器，通过调整高频逆变器输入电压的方式调节***输出电压。1)失谐控制，在原边或者副边通过接入开关电容、相控电感的方式使***处于调谐或非调谐状态，达到控制输出电压的目的。2)副边串联DC-DC变换器，实现负载端局部稳压控制，以适应不同的负载。3)副边短路解耦控制。在负载端并联一组解耦线圈或者在负载线圈上并联一个断路开关，以一定的频率及占空比控制负载端解耦就可以调节输出电压。4)原边能量注入控制，检测到原边电流过零后，控制器根据***输出电压的大小判断是否将谐振网络连接到电源注入能量。
上述第1)、第3)和第4)种方法通过斩波的方式调节输出电压，在开关管短路或断路的瞬间产生较大的能量损耗，既加大了***的成本和体积，又在不同程度上降低了***的效率和可靠性；第2)种方法只适合于小功率电路，且在***轻载时谐振电流将发生很大的畸变使***鲁棒性变差。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种用于无线电能传输***的负载端稳压电路及其控制方法。
实现本发明目的采用的技术方案是一种用于无线电能传输***的负载端稳压电路，其包括交流电压源、能量接收线圈、补偿电容、第一和第二P-Mosfet管、第一和第二N-Mosfet管、第一和第二二极管、滤波电感和滤波电容；
所述能量接收线圈的一端与交流电压源的一端连接，另一端与补偿电容的一极连接；交流电压源的另一端与补偿电容的另一极连接；
所述第一、第二P-Mosfet管的漏极d，第一和第二N-Mosfet管的漏极d连接在一起；第一P-Mosfet管的源极s与第一N-Mosfet管的源极s连接；第二P-Mosfet管的源极s与第二N-Mosfet管的源极s连接；第一二极管的负极与第一P-Mosfet管的源极s连接，第二二极管的负极与第二P-Mosfet管的源极s连接，第一和第二二极管的正极相连；
所述滤波电感的一端与第一P-Mosfet管的漏极连接，另一端与滤波电容的一极连接，波电容的另一极与第一二极管的正极连接。
此外，本发明还提供一种通过上述用于无线电能传输***的负载端稳压电路的控制方法，其特征在于，包括：
根据无线电能传输***依靠谐振方式传输能量的特点设计了稳压电路，从能量的角度该电路的输出电压和输出能量状态进行了分析，在负载端的电路，分为四个模态去分析，设Uout＝V为输出电压基准，上下滞环宽度分别为ΔV1和ΔV2，通过对输出电压变化趋势进行分析，电路进行能量注入或者能量耗散，从而维持输出电压的稳定，由于电压控制环节的引入，使负载电路在稳态工作时，由单一工作模态转为两个模态交替工作；
当开始执行时，首先对电压的变化趋势进行检测，如果电压的变化趋势是增大，再检测输出电压是否小于输出上限，是则两个P-Mos管交替导通，能量注入，输出电压上升，否则两个N-Mos管交替导通，但此时注入能量大于负载消耗的能量，输出电压会继续升高，当注入的能量和消耗的能量达到平衡时，输出电压达到最高，然后两个N-Mos管停止工作，进入能量注入状态，但是注入的能量小于负载消耗的能量，电压会下降，当下降到输出下限时，能量注入开始大于消耗，电压开始上升，周而复始，又开始检测输出电压是否小于输出上限；如果电压的变化趋势是减小，再检测输出电压是否大于输出上限，是则处于能量耗散状态，电压下降，否则处于能量注入状态，但是注入能量小于负载消耗能量，输出电压会继续下降；当下降到输出下限时，能量注入开始大于消耗，电压开始升，周而复始，又检测输出电压是否小于输出上限。
本发明通过两种Mosfet管的反向并联，再与二极管和滤波电路组成了一个稳压电路，可以使得电路工作在四种模态下。该电路实现了以输出电压为控制对象，以输出功率为控制目标，以期根据负载的需求实现***输出电压的稳定的功能。
附图说明
图1为本发明无线电能传输***的负载端稳压电路的等效电路图。
图2为本发明的负载端能量注入式无线电能传输***稳压电路图与工作模态分析图。
图3稳压电路工作原理示意图。
图4为本发明的控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明无线电能传输***的负载端稳压电路的基本结构如图1所示，该稳压电路由交流电压源(1),能量接收线圈(2)，补偿电容(3)，两个P-Mosfet管(5),(7),两个N-Mosfet管(6),(4),两个二极管(8),(9),滤波电感(10)，滤波电容(11)和负载(12)组成。
两个P-Mos管一直处于交替导通状态，当两个N-Mos管交替导通时，***处于能力耗散状态，两个N-Mos管不工作时，处于能力注入状态。
通过两种Mosfet管的反向并联，再与二极管和滤波电路组成了一个稳压电路，可以使得电路工作在四种模态下。该电路实现了以输出电压为控制对象，以输出功率为控制目标，以期根据负载的需求实现***输出电压的稳定的功能
图2中Switch1与Switch2为P型Mosfet，Switch3与Switch4为N型Mosfet。当开关管Switch1和Switch2根据Vin的过零信号交替导通时，***处于谐振状态，能量注入输出电容，输出电压上升，如图2(b)、(c)所示.
当开关管Switch3和Switch4根据负载端电流的过零信号交替导通时，与Switch1或Switch2一起将负载和补偿电容短路，***原副边均处于非谐振状态，原边反射阻抗增大，逆变输出电压减小，***注入能量降低。输出电容向负载释放能量，直至输出电压降低至基准电压后Switch3和Switch4停止工作，***重新进入能量注入状态，如图2(c)，(d)所示。
***输出电压与四个开关管控制脉冲如图3所示。在ta-tb时刻，负载端两个开关管Switch1和Switch2根据Vin的过零信号交替导通，***处于能量注入状态，输出电压升高.
在tb-tc时刻，***输出电压开始高于输出电压上限，Switch3或Switch4根据负载电流过零信号交替开始工作，与Switch1或Switch2一起将负载短路，***进入能量耗散状态，但由于电感等储能元件的存在，此时注入的能量仍大于负载消耗的能量，***输出电压继续上升，并在tc时刻，***注入与消耗的能量达到平衡，此时***的输出电压最高。
在tc-td时刻，***仍处于能量耗散状态，此时注入的能量开始小于负载消耗的能量，输出电压开始下降，并在td时刻降至***输出电压上限，开关管Switch3，Switch4停止工作。
在td-tf时刻，***进入能量注入状态，但电感电流不能突变，此时注入能量仍小于负载耗散能量，***输出电压继续下降，并在tf时刻降至输出电压下限。
在tf-tg时刻，***继续处于能量注入状态并且注入能量大于负载消耗能量，***输出电压开始上升。至此一个电压变化周期结束，整个控制流程如图4所示。
Claims (2)
1.一种用于无线电能传输***的负载端稳压电路，其特征在于：包括交流电压源、能量接收线圈、补偿电容、第一和第二P-Mosfet管、第一和第二N-Mosfet管、第一和第二二极管、滤波电感和滤波电容；
所述能量接收线圈的一端与交流电压源的一端连接，另一端与补偿电容的一极连接；交流电压源的另一端与补偿电容的另一极连接；
所述第一、第二P-Mosfet管的漏极d，第一和第二N-Mosfet管的漏极d连接在一起；第一P-Mosfet管的源极s与第一N-Mosfet管的源极s连接；第二P-Mosfet管的源极s与第二N-Mosfet管的源极s连接；第一二极管的负极与第一P-Mosfet管的源极s连接，第二二极管的负极与第二P-Mosfet管的源极s连接，第一和第二二极管的正极相连；
所述滤波电感的一端与第一P-Mosfet管的漏极连接，另一端与滤波电容的一极连接，波电容的另一极与第一二极管的正极连接。
2.一种权利要求1所述用于无线电能传输***的负载端稳压电路的控制方法，其特征在于，包括：
根据无线电能传输***依靠谐振方式传输能量的特点设计了稳压电路，从能量的角度该电路的输出电压和输出能量状态进行了分析，在负载端的电路，分为四个模态去分析，设Uout＝V为输出电压基准，上下滞环宽度分别为ΔV1和ΔV2，通过对输出电压变化趋势进行分析，电路进行能量注入或者能量耗散，从而维持输出电压的稳定，由于电压控制环节的引入，使负载电路在稳态工作时，由单一工作模态转为两个模态交替工作；
当开始执行时，首先对电压的变化趋势进行检测，如果电压的变化趋势是增大，再检测输出电压是否小于输出上限，是则两个P-Mos管交替导通，能量注入，输出电压上升，否则两个N-Mos管交替导通，但此时注入能量大于负载消耗的能量，输出电压会继续升高，当注入的能量和消耗的能量达到平衡时，输出电压达到最高，然后两个N-Mos管停止工作，进入能量注入状态，但是注入的能量小于负载消耗的能量，电压会下降，当下降到输出下限时，能量注入开始大于消耗，电压开始上升，周而复始，又开始检测输出电压是否小于输出上限；如果电压的变化趋势是减小，再检测输出电压是否大于输出上限，是则处于能量耗散状态，电压下降，否则处于能量注入状态，但是注入能量小于负载消耗能量，输出电压会继续下降；当下降到输出下限时，能量注入开始大于消耗，电压开始升，周而复始，又检测输出电压是否小于输出上限。
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