CN108565990A - 一种具有恒流输出特性的无线电能传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有恒流输出特性的无线电能传输装置，采用一种自激逆变电路设计逆变电源，以自激式逆变电路设计方案，可实现开关管的自驱动，省去了额外的PWM发生器和驱动电路，结构简单，同时还能自动实现谐振频率跟踪功能，而且开关管工作在零电压开通和关断状态下，损耗较小，极大地降低了逆变电路的复杂度。采用具有恒流输出特性的电磁谐振***，以电磁谐振***发射端采用单电容并联补偿拓扑，接收端采用双电容串并联补偿拓扑，仅使用3个补偿电容元件就可以在不同负载条件下可基本实现无线电能传输装置的恒流输出，省去了后级DC/DC变换器的加入。

Description

一种具有恒流输出特性的无线电能传输装置

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，涉及一种具有恒流输出特性的无线电能传输装置，具体涉及一种具有恒流输出特性的磁耦合谐振式无线电能传输装置。

背景技术

自从第二次工业革命以来，人类社会进入了电气化时代，大至遍布全球各地的电网、高压线，小到各种家用电气设备，电能的传输主要通过金属导线的点对点直接接触传输。这种“有线”的传输方式带来了不少问题。由于存在摩擦、老化等问题，电能传输过程中很容易产生火花，进而影响到用电设备的寿命和用电安全^[1]。另外，传统的有线电力传输方式不能满足一些特殊应用场合的需要，如矿井和水中等。随着人类社会经济的发展，各种电子设备得到了广泛的使用，但是太多的电线和插座给人们的生活带来不便。此外，植入体内的医疗设备的长期供电也通过更换电池存在很大的不便；电动汽车的发展受到高成本、高维护性和低可靠性的有线充电桩而受到制约。这些问题都在呼唤一种脱离金属导线的电能传输方式，即无线电能传输。

目前根据传输机理不同，无线电能传输技术主要可分为微波式，电场耦合式，电磁感应式和磁耦合谐振式。微波式的原理是利用微波束代替导线进行能量传输，但是微波在空气中传输时会产生损耗，不能穿越障碍物，且对人体有害，不适宜日常生活中使用。电场耦式无线电能传输是利用平板电容器的电场耦合作用实现电能的无线传输。但平板电容器的电容只有pF级别，极板两端会产生高电压，极板间的高强度电场对人体有害，在安全问题未能解决的情况下，不适宜使用。电磁感应式无线电能传输是利用变压器的电磁感应原理进行能量传输，只有在较短的距离下(小于1cm)，才能实现较大功率和较高效率的电能传输，当距离增大后，传输效率急速下降，并不能给人们生活带来改善。而近两年兴起的磁耦合谐振式无线电能传输技术是以电磁场为媒介，利用具有相同谐振频率、高品质因数的电磁谐振***，在磁场弱耦合的条件下基于谐振原理实现电能的无线传输。磁耦合谐振式无线电能传输技术又称为磁场共振技术，集电磁场、微波工程、电力电子、电路理论、材料科学等于一体，是当今国内外学术界和工业界探索研究的一个新领域。磁耦合谐振式无线传输***能量损耗较小，传输距离大，一般能够达到50cm以上，不要求发射线圈与接收线圈有很强的对应位置关系，允许合理范围的位置偏移，能量传输只在共振***中进行，不会影响共振***以外的其他物体，不用担心异物进入气隙引起损害而保持传输效率。

磁耦合谐振式无线电能传输***的高频逆变电源和谐振***的设计是关键部分。目前常用的高频电源主要依据桥式逆变电源设计，传统的桥式逆变电源结构复杂，需要外加PWM信号发生器来实现开关管的驱动，通常还需要频率跟踪电路实现无线电能传输***的频率跟踪功能，逆变电源驱动复杂，损耗较大，通常应用于上千瓦级别的大功率领域，在中小功率领域的应用效果不佳；对于使用电能的电子产品而言，有些场合下要求无线电能传输装置的输出的电流是不随负载的变化而变化的，即要求无线电能传输装置在不同的输出功率条件下(负载发生变化)，输出电流仍能保持恒定，或者仅有微小的变化，如电动汽车充电过程中就有恒流充电阶段。而目前大多数的无线电能传输装置都无法自动实现不同负载条件下的恒压输出，而是通过在后级加入DC/DC变换器的形式实现恒流输出，这样一来***的复杂度和成本提高，效率降低，而且DC/DC变换器的宽输入电压范围也对其设计构成了很大的困难。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种具有恒流输出特性的无线电能传输装置。

技术方案

一种具有恒流输出特性的无线电能传输装置，其特征在于包括自激逆变电路、发射器、接收器和整流器；所述自激逆变电路包含两个MOS管Q₁和Q₂、两个电感扼流圈L_f1和L_f2、两个二极管D₁和D₂、两个耐压20V的稳压二极管Dz-20V、两个耐压3.9V的稳压二极管Dz-3.9V、两个电容C_p1和C_p2和4个电阻R_a、R_b、R_c、R_d；电阻R_a与R_c串联，电阻R_c与R_d串联，然后并联于功率电源U_dc两端；电感扼流圈L_f1与MOS管Q₁串联，电感扼流圈L_f2与MOS管Q₂串联，然后并联于驱动电源U_drive两端；两个MOS管的G极与S极之间为并联稳压二极管Dz-20V与稳压二极管Dz-3.9V的串联电路，两个二极管正极相对串联；MOS管Q₁通过电容C_p1连接于电阻R_a与R_c之间，MOS管Q₂通过电容C_p2连接于电阻R_c与R_d之间；二极管D₁负端与MOS管Q₁的D极相连，正端连接于电阻R_c与R_d之间，二极管D₂负端与MOS管Q₂的D极相连，正端连接于电阻R_a与R_b之间；所述发射器为L₁C₁的并联谐振电路，输入端分别MOS管Q₁的D极和电阻R_c与R_d之间；所述接收器为线圈L₂与电容C₂串联后与电容C₃并联电路，电容C₃两端连接全桥整流器DR₁、DR₂、DR₃和DR₄，整流输出连接滤波电感L_f与滤波电容C_f的滤波电路，滤波输出连接负载；所述R_a＝R_c小于R_b＝R_d；所述D₁＝D₂；所述电容C_p1＝C_p2；所述MOS管Q₁＝Q₂；所述电感扼流圈L_f1＝L_f2；所述驱动电源U_drive小于功率电源U_dc。

所述C_p1和C_p2的容值远大于Q₁和Q₂的门极寄生电容。

所述发射器和接收器之间的关系为：f_s自激逆变器的频率。

所述MOS管Q₁和Q₂型号为C2M0040120D。

所述二极管D₁和D₂型号为FR607。

所述耐压20V的稳压二极管Dz-20V型号为1n5335A。

所述全桥整流器四个相同的整流二极管的型号为MBR20100。

有益效果

本发明提出的一种具有恒流输出特性的无线电能传输装置，采用一种自激逆变电路设计逆变电源，以自激式逆变电路设计方案，可实现开关管的自驱动，省去了额外的PWM发生器和驱动电路，结构简单，同时还能自动实现谐振频率跟踪功能，而且开关管工作在零电压开通和关断状态下，损耗较小，极大地降低了逆变电路的复杂度。采用具有恒流输出特性的电磁谐振***，以电磁谐振***发射端采用单电容并联补偿拓扑，接收端采用双电容串并联补偿拓扑，仅使用3个补偿电容元件就可以在不同负载条件下可基本实现无线电能传输装置的恒流输出，省去了后级DC/DC变换器的加入。

本发明主要有两个有益效果：

1，本发明的逆变电源实现了自驱动，软开关，结构简单。

2，本发明的输出电流与负载大小无关，具有恒流输出特性。

如附图3所示，在没有外加的驱动电路情况下，无线电能传输***实现了开关管的自驱动，而且当驱动电压V_ds上升和下降时，开关管漏源极电压为0V，即实现了开关管的零电压开通和关断，关断状态电压V_ds的值小于0，即实现了开关管的负压关断。

如附图4所示，当负载电阻由5Ω变化到15Ω时，负载变化率为200％，输出电流仅从2.698A变化到2.562A，电流变化率为5％，可以认为当负载发生变化时，***的输出电流基本保持恒定，即***具有恒流输出特性。

附图说明

图1：本发明的电路原理图

图2：***等效电路图

图3：Q₁和Q₂的仿真工作波形图

图4：输出电流随负载变化的仿真波形图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

具有恒流输出特性的无线电能传输装置电路图如附图1所示，具体包括：

(1)两路输入电源接口，其中一路为驱动电源U_drive(22V)，另一路为功率电源U_dc(36V)；

(2)一个自激逆变电路，包含2个MOS管Q₁和Q₂；2个电感扼流圈L_f1和L_f2；4个电阻R_a～R_d，电阻值之间满足R_a＝R_c＝300Ω，R_b＝R_d＝10kΩ；2个二极管D₁和D₂，理想情况下导通压降为0V；2个耐压20V的稳压二极管Dz-20V，防止Q₁和Q₂被正向击穿；2个耐压3.9V的稳压二极管Dz-3.9V，，防止Q₁和Q₂被反向击穿；两个电容C_p1和C_p2，实现开关管Q₁和Q₂的负压关断，其中C_p1和C_p2的容值远大于Q₁和Q₂的门极寄生电容。

自激逆变电路的工作原理如下：电感扼流圈L_f1和L_f2足够大，流经L_f1和L_f2电流可认为是恒定的。假设一开始Q₁处于关断状态，Q₂处于导通状态，则二极管D₁关断，D₂导通，电感L_f2储能，电感L_f1给并联的L₁C₁谐振网络供电，电感L₁和电容C₁之间谐振，L₁C₁谐振网络品质因数足够高时，C₁两端谐振电压u_ab为正弦波，正弦波的频率即L₁C₁谐振网络的固有谐振频率。当电压u_ab谐振减小到U_drive附近时，二极管D₁开始导通，随电压u_ab的进一步降低，Q₂的栅极电位会减小从而使Q₂由导通状态进入放大区。一旦Q₂进入放大区，Q₂的漏源极电压不再为0V，经二极管D₂的电压传递作用，Q₁的栅极电位会增加从而使Q₁由关断状态进入放大区，这是一个正反馈过程，随着电压u_ab谐振到0V左右，Q₂将进入关断状态，Q₁将导通。之后电感L_f1储能，电感L_f2给并联的L₁C₁谐振网络供电，电压u_ab反向谐振，工作过程与上述分析类似。

L_f1和L_f2的存在使逆变电路输出具有电流源特性。电容C₁两端电压u_ab即逆变电路的输出电压。实际上***是通过二极管D₁和D₂对u_ab进行采样，然后控制开关管Q₁和Q₂的工作状态，因此开关管的工作频率始终取决于u_ab的频率，从而使逆变电路的工作频率始终跟随负载网络的固有谐振频率，实现了***的频率跟踪功能。L₁C₁的构成的并联谐振电路是WPT***的发射器，当L₁C₁的并联谐振电路品质因数较高时，电压u_ab可认为正弦电压，可表示为：

U_ab为电压u_ab的有效值，f₀为逆变器工作频率。

对电感L_f1或L_f2应用伏秒定理：

可得：电压u_ab可进一步表示为：

u_ab＝πU_dc sin(2πf₀t)

(3)一个电磁谐振***

电磁谐振***包含一个发射器和一个接收器，发射器有电容C₁和发射线圈L₁组成，接收器由接收线圈L₂和电容C₂，C₃组成。

设逆变电路的逆变频率为f_s，谐振***满足：

电磁谐振***的工作原理如下：

将自激逆变电路等效成交流电源U_ab，根据电路理论中的换路定理，后级的整流装置可以等效成一个交流电压源U_m，发射线圈和接收线圈互感为M，整流器的输入交流电流为I_m。电路中有两个电源，为了分析I_m的表达式，采用叠加定理。

当交流电压源U_ab单独作用时，交流电压源U_m短路，设此时流经电压源U_m所在支路的电流为I_m1

当交流电压源U_m单独作用时，交流电压源U_ab短路，设此时流经电压源U_m所在支路的电流为I_m2

此时接收线圈L₂和电容C₂，C₃并联谐振，I_m2＝0.

根据叠加定理，

整流器的输入交流电流I_m的表达式与负载电阻无关。

(4)一个全桥整流器

全桥整流器包含DR1～DR4共4个整流二极管，一个滤波电感L_f，一个滤波电容C_f，以及一个负载电阻R_L。全桥整流器实现交流到直流的变换。

设整流模块的输出电流为I_o，I_o和I_m之间满足：

整流器的输入交流电流I_m满足：

联立上述条件可得：

根据输出电流为I_o的表达式可知，***输电流与负载电阻R_L无关，当负载发生变化时，***依然可以实现恒流输出。

表1无线电能传输装置核心元件仿真值

具体实施方式：

本发明有两路输入电源接口，其中一路为驱动电源U_drive＝22V，另一路为功率电源U_dc＝36V；

一个自激逆变电路，包含2个相同MOS管Q₁和Q₂，型号为C2M0040120D；2个相同的电感扼流圈L_f1和L_f2，L_f1＝L_f2＝220uH；4个电阻R_a～R_d，电阻值之间满足R_a＝R_c＝300Ω，R_b＝R_d＝10kΩ；2个相同的二极管D₁和D₂，型号为FR607；2个相同的耐压20V的稳压二极管Dz-20V，型号为1n5357B；2个相同的耐压3.9V的稳压二极管Dz-3.9V，型号为1n5335A；两个相同电容C_p1和C_p2，C_p1＝C_p2＝100nF。

一个电磁谐振***包含一个发射器和一个接收器，发射器有电容C₁和发射线圈L₁组成，C₁＝300nF，L₁＝9uH；接收器由接收线圈L₂和电容C₂，C₃组成，L₂＝42uH，C₂＝C₃＝128nF。其中电容C₁，C₂和C₃为CBB电容，发射线圈L₁和接收线圈L₂由750股直径0.1mm的利兹线绕制。

一个全桥整流器包含DR1～DR4共4个相同的整流二极管，型号为MBR20100，一个滤波电感L_f，L_f＝2mH，一个滤波电容C_f，C_f＝220uF，以及一个负载电阻R_L，R_L＝5Ω。

***接上电源后，自激逆变电路工作，逆变频率与电磁谐振***工作频率相同，通过磁场耦合将能量由发射端传递到接收端，通过整流器将交流电转成直流电，实现直流输出。

Claims (7)

1.一种具有恒流输出特性的无线电能传输装置，其特征在于包括自激逆变电路、发射器、接收器和整流器；所述自激逆变电路包含两个MOS管Q₁和Q₂、两个电感扼流圈L_f1和L_f2、两个二极管D₁和D₂、两个耐压20V的稳压二极管Dz-20V、两个耐压3.9V的稳压二极管Dz-3.9V、两个电容C_p1和C_p2和4个电阻R_a、R_b、R_c、R_d；电阻R_a与R_c串联，电阻R_c与R_d串联，然后并联于功率电源U_dc两端；电感扼流圈L_f1与MOS管Q₁串联，电感扼流圈L_f2与MOS管Q₂串联，然后并联于驱动电源U_drive两端；两个MOS管的G极与S极之间为并联稳压二极管Dz-20V与稳压二极管Dz-3.9V的串联电路，两个二极管正极相对串联；MOS管Q₁通过电容C_p1连接于电阻R_a与R_c之间，MOS管Q₂通过电容C_p2连接于电阻R_c与R_d之间；二极管D₁负端与MOS管Q₁的D极相连，正端连接于电阻R_c与R_d之间，二极管D₂负端与MOS管Q₂的D极相连，正端连接于电阻R_a与R_b之间；所述发射器为L₁C₁的并联谐振电路，输入端分别MOS管Q₁的D极和电阻R_c与R_d之间；所述接收器为线圈L₂与电容C₂串联后与电容C₃并联电路，电容C₃两端连接全桥整流器DR₁、DR₂、DR₃和DR₄，整流输出连接滤波电感L_f与滤波电容C_f的滤波电路，滤波输出连接负载；所述R_a＝R_c小于R_b＝R_d；所述D₁＝D₂；所述电容C_p1＝C_p2；所述MOS管Q₁＝Q₂；所述电感扼流圈L_f1＝L_f2；所述驱动电源U_drive小于功率电源U_dc。

2.根据权利要求1所述具有恒流输出特性的无线电能传输装置，其特征在于：所述C_p1和C_p2的容值远大于Q₁和Q₂的门极寄生电容。

3.根据权利要求1所述具有恒流输出特性的无线电能传输装置，其特征在于：所述发射器和接收器之间的关系为：f_s自激逆变器的频率。

4.根据权利要求1所述具有恒流输出特性的无线电能传输装置，其特征在于：所述MOS管Q₁和Q₂型号为C2M0040120D。

5.根据权利要求1所述具有恒流输出特性的无线电能传输装置，其特征在于：所述二极管D₁和D₂型号为FR607。

6.根据权利要求1所述具有恒流输出特性的无线电能传输装置，其特征在于：所述耐压20V的稳压二极管Dz-20V型号为1n5335A。

7.根据权利要求1所述具有恒流输出特性的无线电能传输装置，其特征在于：所述全桥整流器四个相同的整流二极管的型号为MBR20100。