CN108616168A - 含中继线圈谐振型无线充电***电磁干扰预测电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含中继线圈谐振型无线充电***电磁干扰预测电路及方法，包括谐振网络以及连接在谐振网络输入端的输入侧逆变电路，输入侧逆变电路的输入端连接有直流输入电源；还包括连接在谐振网络输出端的输出侧整流电路以及并联在输出侧整流电路上的滤波电容；本发明建立含中继线圈的谐振型无线充电***电磁干扰模型电路；对***在输出功率较大时的输入侧、输出侧共模和差模电磁干扰进行预测分析；进行***设计时，注意合理选择参数，为实际***电磁干扰抑制提供指导，可用于指导无线充电***进行***参数设计，节约无线充电类产品***设计的时间，推进研发过程节省产品在生产过程中的试验成本，节约资源，有巨大的经济效益。

Description

含中继线圈谐振型无线充电***电磁干扰预测电路及方法

技术领域

本发明属于电力电子电磁干扰研究领域，涉及一种含中继线圈谐振型无线充电***电磁干扰预测电路及方法。

背景技术

随着能源与环境问题日益严峻，无线充电***以其安全、便捷、适用场合广泛等优势引起了人们的关注。因此，无线充电***被广泛应用在电动汽车的充电、植入式医疗器械的供电以及其他消费类电子产品中，例如电动牙刷、手机等。在充电过程中，该***产生的电磁干扰问题也引起了越来越多的关注。

关于无线充电***的电磁干扰问题，国内外学者进行了许多相关方面的研究。已公开的发明专利如：《用于控制无线功率传输***中的干扰的方法和设备》发明了一种功率传输单元(PTU)的干扰控制方法，可以确定PTU是否处于干扰环境中，最终控制邻近PTU和功率接收单元(PRU)中的任意一个或两个的通信参数；《用于无线功率传输***的谐波消减设备》设计了一种耦合在开关网络和发送器线圈之间的谐波消减设备的装置,此谐波消减设备被配置为对至少一个频率分量进行衰减；《安装在车辆内的设计为减少电磁干扰的无线电池充电装置》提供了一种安装在车辆内为减少电磁干扰的无线电池充电装置，用于减少由无线电池充电器辐射引起的电磁干扰的静电防护。

上述现有技术中提及的方法主要针对***建立完成后进行电磁干扰抑制、消减、控制及屏蔽，无法对***本身进行修改调整。

发明内容

为了直观了解含中继线圈的谐振式无线充电***的电磁干扰情况，为后续的***设计和提高功率效率做出指导，本发明的目的是提供一种含中继线圈谐振型无线充电***电磁干扰预测电路及方法，在***建立之前，建立***电磁干扰预测电路并进行预测，直观地反映出***电磁干扰的严重程度，并在搭建试验平台前对***参数与模型进行优化，降低其电磁干扰。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，含中继线圈谐振型无线充电***电磁干扰预测电路，包括谐振网络以及连接在谐振网络输入端的输入侧逆变电路，输入侧逆变电路的输入端连接有直流输入电源；还包括连接在谐振网络输出端的输出侧整流电路以及并联在输出侧整流电路上的滤波电容；

其中，谐振网络包括与输入侧逆变电路连接的发射测谐振网络以及与输出侧整流电路连接的接收侧谐振网络，还包括连接在发射侧谐振网络和接收侧谐振网络之间的中继线圈谐振网络，中继线圈谐振网络与发射侧谐振网络和接收侧谐振网络之间均连接有寄生电容；

所述中继线圈谐振网络包括n个中继线圈，n≥1，相邻的中继线圈之间连接有寄生电容。

输入侧逆变电路为半桥逆变电路，半桥逆变电路包括两个串联的开关管，每个开关管的源极和漏极之间均连接有电容，半桥中心即两个开关管连接中点与地之间连接有对地电容；发射侧谐振网络包括串联的电容、电感和电阻组成的发射线圈，发射线圈连接在两个开关管连接中点与直流输入电源负极之间；

输出侧整流电路为全桥整流电路，四个二极管采用两两串联后并联的连接方式，且每个二极管正负极之间都并联电容，每个桥臂中点与地之间连接都有对地电容，接收侧谐振网络包括串联的电容、电感和电阻组成的接收线圈，接收线圈连接在两个桥臂中点之间。

所述滤波电容包括高频滤波电容和低频滤波电容。

每个中继线圈均包括串联的电容、电感和电阻，其中，相邻中继线圈的电感之间设置有寄生电容，两电感的两端分别通过两个寄生电容连接。

本发明还公开了一种含中继线圈谐振型无线充电***电磁干扰预测方法，包括以下步骤：

步骤1：确定无线充电***的工作参数，包括输入电压U与工作频率f及负载R_L；

步骤2：根据步骤1确定的工作参数，确定谐振网络参数，包括发射侧谐振电感L_p，发射侧谐振电容C_p，接收侧谐振电感L_s，接收侧谐振电容C_s，中继线圈谐振电感L₁～L_n，中继线圈谐振电容C₁～C_n；

步骤3：根据步骤2确定的线圈谐振网络参数，确定线圈之间的耦合参数，包括耦合系数k₁～k_n、k_n+1，然后根据耦合系数确定线圈之间的互感M₁～M_n、M_n+1；

步骤4：建立***电磁干扰模型，添加***寄生参数；

步骤5：利用步骤4中建立的电磁干扰模型进行仿真得出功率较大时输入侧、输出侧共模和差模干扰信号的波形。

步骤2中，线圈谐振网络参数与工作频率f相关，根据选择电容值绕制相应电感值的电感，其中：

中继线圈的谐振网络参数与工作频率满足如下关系：

jωL_n＝1/jωC_n(1-n)

发射侧线圈的谐振网络参数与工作频率满足如下关系：

jωL_p＝1/jωC_p(1-p)

接收侧线圈的谐振网络参数与工作频率满足如下关系：

jωL_s＝1/jωC_s(1-s)其中，ω＝2πf。

所述步骤3中：

根据步骤2确定的线圈谐振网络参数，确定线圈之间的耦合参数，包括耦合系数k₁～k_n、k_n+1，然后根据耦合系数确定线圈之间的互感M₁～M_n、M_n+1，谐振线圈间的互感与耦合系数以及线圈电感值满足以下关系，其中：

M₁为发射线圈与第1个中继线圈的耦合系数的互感：

M₂～M_n为中继线圈间的互感：

M_n+1为第n个中继线圈与接收线圈间的互感：

步骤3中，线圈耦合系数由各线圈距离和相对位置及周围磁介质的性质决定。

步骤4中，电路中各器件的寄生参数确定方法如下：

1)对于线圈间的寄生电容参数，其大小根据平板电容如下计算公式得到：

其中，S为电容器两极板的正对面积，d为电容器两极板之间的距离，ε为介电常数，k₁为静电常数；

2)对于开关器件和二极管的寄生电容参数，通过查找器件手册MOSFET开关管得出板间相对面积和板间距，根据公式(3)计算出其等效对地寄生电容C_q取值，同理计算出二极管的对地寄生电容的值。

本发明建立含中继线圈的谐振型无线充电***电磁干扰模型电路；对***在输出功率较大时的输入侧、输出侧共模和差模电磁干扰进行预测分析；进行***设计时，注意合理选择参数，为实际***电磁干扰抑制提供指导。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果，本预测方法可用于指导(含中继线圈的)无线充电***进行***参数设计，节约无线充电类产品***设计的时间，推进研发过程，本预测方法可在实际装置投入使用之前对***电磁干扰进行预测分析，节省产品在生产过程中的试验成本，节约资源，有巨大的经济效益。本预测方法也可用于对无线充电类产品电磁干扰抑制方法的研究，有利于节约设计时间、资源，效果显著。

附图说明

图1为本发明的***电磁干扰模型电路。

图2为本发明的含一个中继线圈的***电磁干扰模型电路。

图3为本发明含一个中继线圈的***输入侧共模干扰结果。

图4为本发明含一个中继线圈的***输出侧共模干扰结果。

图5为本发明含一个中继线圈的***输入侧差模干扰结果。

图6为本发明含一个中继线圈的***输出侧差模干扰结果。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明***电路如图1所示。输入电压为直流，输入侧逆变电路选择半桥逆变电路，经谐振网络传递能量，输出侧整流电路选择全桥整流电路，经电容滤波，输出电压为直流。L_p、C_p组成发射侧谐振网络，R_p为发射线圈的等效串联电阻。L_s、C_s组成接收侧谐振网络，R_s为接收线圈的等效串联电阻。L₁、C₁组成第1个中继线圈谐振网络，R₁为第1个中继线圈的等效串联电阻。同理，L_n、C_n等组成第n个中继线圈谐振网络，R_n为第n个中继线圈的等效串联电阻。各线圈间耦合系数k₁、k₂……k_n、k_n+1，其中，k₁为发射线圈与第1个中继线圈的耦合系数，k₂～k_n为中继线圈间的耦合系数，k_n+1为第n个中继线圈与接收线圈间的耦合系数，R_L为本***的负载。

一种含中继线圈谐振型无线充电***电磁干扰预测电路，包括谐振网络以及连接在谐振网络输入端的输入侧逆变电路，输入侧逆变电路的输入端连接有直流输入电源DC；还包括连接在谐振网络输出端的输出侧整流电路以及并联在输出侧整流电路上的滤波电容；所述滤波电容包括高频滤波电容C_H和低频滤波电容C_L；

其中，谐振网络包括与输入侧逆变电路连接的发射测谐振网络以及与输出侧整流电路连接的接收侧谐振网络，还包括连接在发射侧谐振网络和接收侧谐振网络之间的中继线圈谐振网络，中继线圈谐振网络与发射侧谐振网络和接收侧谐振网络之间均连接有寄生电容，如图2所示，为含一个中继线圈的无线充电***模型，其中，C₁₁、C₁₂、C₂₁和C₂₂均为寄生电容；

中继线圈谐振网络包括n个中继线圈，n≥1，相邻的中继线圈之间连接有寄生电容。

输入侧逆变电路为半桥逆变电路，半桥逆变电路包括两个串联的开关管S₁和S₂，每个开关管的源极和漏极之间均连接有电容，半桥中心即两个开关管连接中点与地之间连接有对地电容C_q；发射侧谐振网络包括串联的电容C_P、电感L_P和电阻R_P组成的发射线圈，发射线圈连接在两个开关管连接中点与直流输入电源DC的负极之间；

输出侧整流电路为全桥整流电路，四个二极管D₁、D₂、D₃和D₄采用两两串联后并联的连接方式，且每个二极管正负极之间都并联电容，每个桥臂中点与地之间连接有对地电容；在本实施例中，D₁和D₃串联，D₂和D₄串联，D₁和D₃与D₂和D₄然后并联；，D₁和D₃通过C_t接地，D₂和D₄通过C_r接地，接收侧谐振网络包括串联的电容C_S、电感L_S和电阻R_S组成的接收线圈，接收线圈连接在全桥整流电路的两个桥臂中点之间。

每个中继线圈均包括串联的电容、电感和电阻，其中，相邻中继线圈的电感之间设置有寄生电容，两电感的两端分别通过两个寄生电容连接。

对于一个无线充电***，其电磁干扰情况的预测过程如下：

步骤1：根据所需工作场景，确定无线充电***的基本工作参数，包括输入电压U与工作频率f及负载R_L，均根据工作情况设定。

步骤2：根据已确定的工作参数，确定谐振网络参数，包括发射侧谐振电感L_p，谐振电容C_p，接收侧谐振电感L_s，谐振电容C_s，中继线圈谐振电感L₁、L₂……L_n，谐振电容C₁、C₂……C_n；

其中，线圈谐振网络参数与工作频率f相关，根据选择电容值绕制相应电感值的电感，需要满足以下关系：

jωL₁＝1/jωC₁(1-1)

jωL₂＝1/jωC₂(1-2)

jωL₃＝1/jωC₃(1-3)

……

jωL_n＝1/jωC_n(1-n)

jωL_p＝1/jωC_p(1-p)

jωL_s＝1/jωCs(1-s)

其中，ω＝2πf；

步骤3：根据选取的线圈参数，确定线圈之间的耦合参数，包括耦合系数k₁、k₂、k_n……k_n+1等；

线圈耦合系数k₁、k₂、k_n……k_n+1，由各线圈距离、相对位置等因素决定，M₁为发射线圈与第1个中继线圈的耦合系数的互感，M₂～M_n为中继线圈间的互感，M_n+1为第n个中继线圈与接收线圈间的互感，谐振线圈间的互感与耦合系数、线圈电感值需要满足以下关系：

线圈间的互感会影响***的传输功率，进而影响***电磁干扰的情况。

步骤4：建立***电磁干扰模型，添加***寄生参数；包括图1所示***传导干扰模型电路中的相关寄生电容，C_q是两个MOSFET开关管S₁、S₂的等效对地寄生电容，C₁₁和C₁₂是***发射线圈和第1个中继线圈之间的寄生电容，同理，C₂₁和C₂₂等是第1个中继线圈与第2个之间的寄生电容，C_n+1,1和C_n+1,2是***第n个中继线圈和接收线圈之间的寄生电容，C_t、C_r是二极管的对地寄生电容；

该电路中各器件的寄生参数添加方法如下：

1)对于线圈间的寄生参数，实际应用过程中，不同的k值会导致***传导干扰模型中C₁₁和C₁₂等线圈间寄生电容发生变化，进而影响输出侧电磁干扰。当线圈耦合系数k增大时，线圈距离较近、相对面积较大，C₁₁和C₁₂等随之增大，其大小可根据平板电容如下计算公式得到：

其中，S为电容器两极板的正对面积，d为电容器两极板之间的距离，ε为介电常数，k1为静电常数。

2)对于开关器件的寄生参数，通过查找器件手册MOSFET开关管得出板间相对面积，适当估算板间距，根据公式(3)可计算出其等效对地寄生电容C_q取值，同理可计算出二极管的对地寄生电容C_t、C_r的值。

步骤5：以图2含有一个中继线圈的无线充电***模型为例，仿真得出功率较大时输入侧、输出侧共模和差模干扰信号的波形；

以图2中含一个中继线圈的***电磁干扰模型电路为例，根据对***的功率的计算，选取输出功率较大时的线圈耦合系数和负载R_L，各线圈耦合系数在本发明均取0.02，负载R_L在本发明中取10Ω。当输入电压为10V，谐振频率为1M时的仿真结果见图3～6。

步骤6：以图2含有一个中继线圈的无线充电***模型为例，对仿真结果进行分析，为实际***电磁干扰抑制提供指导。

根据图3～6的仿真结果可知：

(1)输入侧共模干扰最为严重，且远大于差模干扰，谐振频率为1M时最大值达到92.763dB。输入侧共模干扰主要来源于开关管的快速通断，经寄生电容提取得到干扰值。在后续设计中可采取相应措施抑制其共模干扰。

(2)频谱中在谐振频率处的干扰最为严重，在谐振频率的整数倍频时干扰较为严重。在实际应用时需对该频段更加注意，在后续设计中可采取相应措施抑制该频段的干扰。

Claims (9)

1.含中继线圈谐振型无线充电***电磁干扰预测电路，其特征在于，包括谐振网络以及连接在谐振网络输入端的输入侧逆变电路，输入侧逆变电路的输入端连接有直流输入电源；还包括连接在谐振网络输出端的输出侧整流电路以及并联在输出侧整流电路上的滤波电容；

其中，谐振网络包括与输入侧逆变电路连接的发射测谐振网络以及与输出侧整流电路连接的接收侧谐振网络，还包括连接在发射侧谐振网络和接收侧谐振网络之间的中继线圈谐振网络，中继线圈谐振网络与发射侧谐振网络和接收侧谐振网络之间均连接有寄生电容；

所述中继线圈谐振网络包括n个中继线圈，n≥1，相邻的中继线圈之间连接有寄生电容。

2.根据权利要求1所述的含中继线圈谐振型无线充电***电磁干扰预测电路，其特征在于，输入侧逆变电路为半桥逆变电路，半桥逆变电路包括两个串联的开关管，每个开关管的源极和漏极之间均连接有电容，半桥中心即两个开关管连接中点与地之间连接有对地电容；发射侧谐振网络包括串联的电容、电感和电阻组成的发射线圈，发射线圈连接在两个开关管连接中点与直流输入电源负极之间；

输出侧整流电路为全桥整流电路，四个二极管采用两两串联后并联的连接方式，且每个二极管正负极之间都并联电容，每个桥臂中点与地之间连接都有对地电容，接收侧谐振网络包括串联的电容、电感和电阻组成的接收线圈，接收线圈连接在两个桥臂中点之间。

3.根据权利要求1所述的含中继线圈谐振型无线充电***电磁干扰预测电路，其特征在于，所述滤波电容包括高频滤波电容和低频滤波电容。

4.根据权利要求1所述的含中继线圈谐振型无线充电***电磁干扰预测电路，其特征在于，每个中继线圈均包括串联的电容、电感和电阻，其中，相邻中继线圈的电感之间设置有寄生电容，两电感的两端分别通过两个寄生电容连接。

5.含中继线圈谐振型无线充电***电磁干扰预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定无线充电***的工作参数，包括输入电压U与工作频率f及负载R_L；

步骤2：根据步骤1确定的工作参数，确定谐振网络参数，包括发射侧谐振电感L_p，发射侧谐振电容C_p，接收侧谐振电感L_s，接收侧谐振电容C_s，中继线圈谐振电感L₁～L_n，中继线圈谐振电容C₁～C_n；

步骤3：根据步骤2确定的线圈谐振网络参数，确定线圈之间的耦合参数，包括耦合系数k₁～k_n、k_n+1，然后根据耦合系数确定线圈之间的互感M₁～M_n、M_n+1；

步骤4：建立***电磁干扰模型，添加***寄生参数；

步骤5：利用步骤4中建立的电磁干扰模型进行仿真得出功率较大时输入侧、输出侧共模和差模干扰信号的波形。

6.根据权利要求5所述的含中继线圈谐振型无线充电***电磁干扰预测方法，其特征在于，步骤2中，线圈谐振网络参数与工作频率f相关，根据选择电容值绕制相应电感值的电感，其中：

中继线圈的谐振网络参数与工作频率满足如下关系：

jωL_n＝1/jωC_n (1-n)

发射侧线圈的谐振网络参数与工作频率满足如下关系：

jωL_p＝1/jωC_p (1-p)

接收侧线圈的谐振网络参数与工作频率满足如下关系：

jωL_s＝1/jωC_s (1-s)

其中，ω＝2πf。

7.根据权利要求5所述的含中继线圈谐振型无线充电***电磁干扰预测方法，其特征在于，所述步骤3中：

根据步骤2确定的线圈谐振网络参数，确定线圈之间的耦合参数，包括耦合系数k₁～k_n、k_n+1，然后根据耦合系数确定线圈之间的互感M₁～M_n、M_n+1，谐振线圈间的互感与耦合系数以及线圈电感值满足以下关系，其中：

M₁为发射线圈与第1个中继线圈的耦合系数的互感：

M₂～M_n为中继线圈间的互感：

M_n+1为第n个中继线圈与接收线圈间的互感：

8.根据权利要求7所述的含中继线圈谐振型无线充电***电磁干扰预测方法，其特征在于，步骤3中，线圈耦合系数由各线圈距离和相对位置及周围磁介质的性质决定。

9.根据权利要求5所述的含中继线圈谐振型无线充电***电磁干扰预测方法，其特征在于，步骤4中，电路中各器件的寄生参数确定方法如下：

1)对于线圈间的寄生电容参数，其大小根据平板电容如下计算公式得到：

其中，S为电容器两极板的正对面积，d为电容器两极板之间的距离，ε为介电常数，k₁为静电常数；

2)对于开关器件和二极管的寄生电容参数，通过查找器件手册MOSFET开关管得出板间相对面积和板间距，根据公式(3)计算出其等效对地寄生电容C_q取值，同理计算出二极管的对地寄生电容的值。