CN109861404A - 一种无线电能传输***及其前级高频电源设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无线电能传输***及其前级高频电源设计方法，涉及无线电能传输技术领域。该***包括将交流低频市电转换为高频逆变电路的输入直流电压的AC‑DC可调直流电源；作为无线电能传输***的前级高频电源的高频逆变电路；对高频逆变电路中开关器件的通断进行调制的DSP控制电路；对DSP信号进行放大，将其转换为对开关器件进行驱动的驱动信号的驱动电路；作为高频逆变电路的负载的发射线圈以及与需用电的负载直接相连接构成负载电路回路的接收线圈；并提供了对无线电能传输***中的前级高频电源进行设计的方法。本发明的无线电能传输***及其前级高频电源设计方法，大大提高了无线电能传输***的工作频率，进而提高了***线圈间的传输距离和效率。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种无线电能传输***及其前级高频电源设计方法。
背景技术
无线电能传输，又被叫做无接触电能传输，指的是在没有直接的电气连接的情况下将电能从电源端传输到负载端的传输方式。近年来，由于传统有线输电方式存在接触线摩擦、裸露、老化等问题，无线电能传输技术的研究越来越受到人们的重视。2007年，麻省理工大学的科学家提出了磁耦合谐振式无线电能传输技术，在国内外引起广泛的关注与研究，是当前最具有发展前景的技术之一。与传统的感应式无线电能传输技术相比，磁耦合谐振式无线电能传输技术具有更远的传输距离和更高的空间自由度，实现了电能的中远距离传输。
目前，对于无线电能传输***的研究主要包括拓扑结构、补偿网络的连接方式、传输线圈的绕制方式、线圈间距离、***阻抗匹配等方面。当前，无线电能传输技术的理论研究已经比较完备且具备了一定的实验条件。但还存在电磁干扰、传输距离、造价昂贵等很多问题。同时，大多数对于无线电能传输***的研究，只是对线圈以及其补偿网络进行分析与设计，研究其传输机理和传输效率，缺少对其所需要的电力电子装置的分析与讨论。对于磁耦合谐振式无线电能传输来说，其传输频率一般为几百KHz到几十MHz，因此***的前级高频电源设计至关重要，其在高频下的工作性能，直接影响到整个***的传输性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种无线电能传输***及其前级高频电源设计方法，对***发射端的高频电源进行优化设计，实现了无线电能传输***整体传输性能的提高。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一方面，本发明提供一种无线电能传输***，以磁耦合谐振的方式实现电能的无线传输，包括：AC-DC可调直流电源、高频电源装置、发射线圈及接收线圈；所述高频电源装置包括高频逆变电路、驱动电路和DSP控制电路；所述AC-DC可调直流电源将交流低频市电转换为所需的直流电，用作高频逆变电路的输入直流电压；所述高频逆变电路采用全桥式结构，将AC-DC可调直流电源输入的直流电压信号转换为高频交流电压信号，作为磁耦合谐振式无线电能传输***的前级高频电源；所述DSP控制电路通过产生一组互补对称的PWM脉冲对高频逆变电路中开关器件的通断进行调制；所述驱动电路对DSP信号进行放大，将其转换为对开关器件进行驱动的驱动信号，驱动电路在对DSP信号进行放大的同时，也对高频逆变电路与DSP控制电路进行了电气隔离和故障保护，避免主电路与控制电路直接相连，增加了逆变电路的抗干扰能力，提高了逆变电路工作的稳定性；所述发射线圈作为高频逆变电路的负载与其输出端直接相连；所述接收线圈与需用电的负载直接相连接构成负载电路回路；所述发射线圈与接收线圈同轴放置，完全对称，且均包括电感线圈和串联补偿电容；所述发射线圈将高频逆变电路产生的高频交流电能通过磁耦合谐振的方式传输到接收线圈，供给负载使用，实现了电能的无线传输。
优选地，所述高频逆变电路中的开关器件采用SiC MOSFET。
优选地，所述驱动电路采用MOSFET驱动电路结构，并在MOSFET驱动电路结构的基础上增加DC-DC转换器，使DC-DC转换器的输入端与外加的+12V直流电源相连，DC-DC转换器将+12V电压转换为+15V电压与-3V电压输出；输出的+15V电压作为驱动电路中驱动芯片的电源使用，通过此方式为驱动芯片供电，减少了电路中的杂散电容。
另一方面，本发明还提供一种无线电能传输***的前级高频电源装置的设计方法，其特征在于：具体方法为：
(1)、在高频逆变电路的输入端增加串联的电容Cin和电感Lin组成滤波电路，该滤波电路充分吸收寄生参数产生的高频振荡电流及电压，防止高频振荡电流反馈回流到直流输入端；
(2)、通过对高频逆变电路的PCB设计来减弱电路中开关器件间寄生参数的影响；所述PCB电路将输入电容Cin、开关器件和输出端子放置在PCB板的顶层，功率回路平行于PCB板平面，形成横向功率环；输入电容Cin放置于开关器件的漏极和源极中间以使振荡回路的走线长度达到最小，减弱高频振荡对功率回路的影响；PCB板各器件之间走线长度尽可能短，走线宽度尽可能宽，以减弱高频下集肤效应对导线电阻的影响，同时也减小了振荡回路的面积，削弱了寄生参数产生的振荡对功率回路的影响；此外，将PCB板的内电层作为整个电路板的屏蔽层，该层对于保护电路免受功率回路产生的强磁场的影响具有至关重要的作用；
(3)、通过DSP控制电路产生一组互补对称的PWM脉冲，对高频逆变电路中开关器件的通断进行调制，降低开关损耗，减弱寄生参数对于电路的影响。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种无线电能传输***及其前级高频电源设计方法，着重于***所需的电力电子装置的设计，对发射端高频电源进行优化设计，大大提高了无线电能传输***的工作频率，进而提高了***线圈间的传输距离、效率，同时，高频供电可以使传输线圈尺寸更小，实现了无线电能传输装置的轻便性，有效地提高了无线电能传输***的整体传输性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种无线电能传输***的拓扑结构图；
图2为本发明实施例提供的一种无线电能传输***的结构框图；
图3为本发明实施例提供的高频逆变电路的拓扑结构图；
图4为本发明实施例提供的高频逆变电路及其驱动电路的PCB设计图；
图5为本发明实施例提供的MOSFET工作过程示意图；
图6为本发明实施例提供的驱动电路的拓扑结构图。
图中：1、交流低频市电；2、高频逆变电路；3、发射线圈；4、接收线圈；5、负载。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
一种无线电能传输***，以磁耦合谐振的方式实现电能的无线传输，如图1和图2所示，整体***包括：AC-DC可调直流电源、高频电源装置、发射线圈3及接收线圈4；所述高频电源装置包括高频逆变电路2、驱动电路和DSP控制电路；所述AC-DC可调直流电源将交流低频市电1转换为所需的直流电，用作高频逆变电路2的输入直流电压；所述高频逆变电路2采用全桥式结构，将AC-DC可调直流电源输入的直流电压信号转换为高频交流电压信号，作为磁耦合谐振式无线电能传输***的前级高频电源；所述DSP控制电路产生一组互补对称的PWM脉冲，对高频逆变电路2中开关器件的通断进行调制；所述驱动电路对DSP信号进行放大，将其转换为对开关器件进行驱动的驱动信号，驱动电路在对DSP信号进行放大的同时，也对高频逆变电路2与DSP控制电路进行了电气隔离和故障保护，避免主电路与控制电路直接相连，增加了逆变电路的抗干扰能力，提高了逆变电路工作的稳定性；所述发射线圈3作为高频逆变电路2的负载与其输出端直接相连；所述接收线圈4与需用电的负载5直接相连接构成负载电路回路；所述发射线圈3与接收线圈4同轴放置，完全对称，且均包括电感线圈和串联补偿电容；所述发射线圈3将高频逆变电路2产生的高频交流电能通过磁耦合谐振的方式传输到接收端，供给负载5使用，实现了电能的无线传输。
所述高频逆变电路2采用全桥式结构，将AC-DC可调直流电源提供的直流电压转换为高频交流电压作为***的前级高频交流电源。高频逆变电路2的开关器件采用SiCMOSFET，此MOSFET的耐压值可达1200V，开关频率可达20MHz-30MHz，满足大功率高频的需求，同时此开关器件的导通电阻为120mΩ，减小了逆变器工作中的导通损耗。随着***工作频率的提高，许多低频逆变器所忽视的问题在高频逆变器中至关重要。尤其是在高频下寄生电容、电感的影响将变得不可忽视，其造成的影响主要有：寄生电容、电感会产生电压和电流的振荡，导致高频逆变电路2开关功率损耗的增加，影响***整体效率；其次，高频振荡电流会影响开关器件的栅-源级电压，影响开关器件正常的开通与关断，导致开关器件无法工作在最佳工作状态，甚至导致同一桥臂间的开关器件短路，损坏开关管；功率电路的高频振荡会对驱动电路产生较大的电磁干扰，降低开关器件的工作性能，影响逆变电路的稳定性。为实现磁耦合谐振式无线电能传输***的高频高效工作，解决上述高频下寄生电容、电感对***工作的影响，本实施例中，高频逆变电路2的拓扑结构及其PCB设计分别如图3，图4所示。图3中开关S1、S2、S3、S4为SiC MOSFET，开关S1、S3和开关S2、S4以较高的频率交替导通，将输入直流电压转换为高频交流电压提供给负载；和为MOSFET栅-漏极间寄生电容；和为MOSFET栅-源极间寄生电容；为直流输入电源与输入电容间导线中的寄生电感；和为MOSFET间导线中的寄生电感，这些寄生电感、电容在高频下会产生远高于***频率的电压和电流的振荡，严重影响了***的工作。
所述DSP控制电路通过产生一组互补对称的PWM脉冲对高频逆变电路2中开关器件的通断进行调制。当逆变器工作在高频状态下时，开关器件在开通与关断过程中的开关损耗将变得不可忽视，因此通过DSP的控制实现开关器件的零电压工作状态(ZVS)，对逆变器工作效率的提高具有重要作用。本实施例以同一桥臂上的两个MOSFET的开通与关断过程来说明进行适当的DSP控制对于降低开关损耗，减弱寄生参数对于电路的影响起到的关键作用。开关器件MOSFET的开通与关断过程如图5(a)和5(b)所示，其中，分别为开关管S1、S2的输出电容，MOSFET的开通与关断伴随着输出电容的充放电。图5(b)中所示工作过程为S1开通，S2关断向S1关断，S2开通过渡，此时，充电，放电。通过对MOSFET死区时间的控制，可实现ZVS工作状态。若死区时间设置不合理，则在下桥臂MOSFET导通时，负载电流已反向流动，而电容放电并未结束，S2两端电压不为零，因此无法实现ZVS工作状态，产生了开关损耗；与此同时，当S2导通时，电容被短路，电容满充，此时在MOSFET上会产生较大的尖峰电压和尖峰电流以及较高的峰值电流，同时电容产生的充放电电流流过电路中的寄生电感又会在MOSFET两端产生较高的峰值电压。在这种情况下，MOSFTE的输出电容和电路中的寄生电感便形成了高频振荡回路，由输出电容间的充放电以及寄生电感产生的电压和电流，便是振荡电流和电压，它们对逆变电路的工作造成了极大的影响。基于以上问题，本发明通过DSP控制电路产生的一组具有死区时间的PWM脉冲实现对死区时间的控制，在下桥臂MOSFET的漏-源极间电压在负载电流反向之前下降至零时，使S2导通，此时实现了ZVS工作状态，降低了开关损耗，并且在输出电容两端不会出现较大的和因此减弱了振荡电流和振荡电压对电路的影响。
所述驱动电路结构图如图6所示，包括SI8261BCD-C-ISR光耦隔离驱动芯片、DC-DC转换器MEJ2D1209SC，电路中其余所用电容，电阻与二极管起到稳压作用。因所有MOSFET驱动电路结构均相同，所以本实施例只以单一MOSFET驱动电路结构为例进行说明：
DC-DC转换器MEJ2D1209SC输入端+VIN、-VIN与+12V直流电源相连，其前端电阻与电容起到稳压作用，DC-DC转换器MEJ2D1209SC将+12V电压转换为+15V电压与-3V电压输出，所述驱动电路将MEJ2D1209SC输出的+15V电压作为SI8261BCD-C-ISR光耦隔离驱动芯片的电源使用，通过此方式为驱动芯片供电，减少了电路中的杂散电容。此外，PWM驱动脉冲与SI8261BCD-C-ISR驱动芯片的输入端AN，CAT相连接，经驱动电路放大后，经驱动芯片的输出端VOUT输出至MOSFET的栅源级。由此SI8261BCD-C-ISR光耦隔离驱动芯片提供了控制电路与主电路之间的电气隔离，减弱了共模噪声和电磁干扰对驱动信号的影响，提高了电路工作的稳定性。同时，对于驱动电路的PCB设计，将驱动芯片与MOSFET间的距离尽可能缩小，以减小电路中的寄生电感，且每个驱动芯片与MOSFET的距离均保持一致，以保证每个回路中阻抗的平衡。通过上述设计，可实现驱动电路的稳定工作，为整体***的正常运行提供了保障。
***发射线圈与接收线圈完全对称且同轴放置，因此发射线圈的电感、电阻、品质因数和串联补偿电容与接收线圈的电感、电阻、品质因数和串联补偿电容完全相同，即Lt＝Lr、Rt＝Rr、Qt＝Qr、Ct＝Cr。发射线圈与接收线圈的电感参数在设计时人为设定，本实施例中，角频率ω0＝2π×1MHz，发射线圈与接收线圈电感Lt＝Lr＝4.9025μH。
根据谐振频率公式确定发射线圈的串联补偿电容为接收线圈的串联补偿电容为根据确定发射线圈的品质因数为接收线圈的品质因数为由此发射线圈与接收线圈以磁耦合谐振的方式完成了电能的无线传输，而前级高频电源装置的设计，为整体无线电能传输***提供了稳定的高频交流电压，为***高效传输电能提供了保障，同时减小了线圈尺寸，增加了线圈间的传输距离。
为了减弱高频逆变电路2中寄生参数的影响，本发明还提供一种无线电能传输***前级高频电源装置的设计方法，具体为：
(1)、在高频逆变电路2的输入端增加电容Cin和和电感Lin组成滤波电路，该滤波电路可以充分吸收寄生参数产生的高频振荡电流及电压，防止高频振荡电流反馈回流到直流输入端。通过该方法有效减弱了直流输入电源与输入电容间导线中的寄生电感与对电路的影响。
(2)、通过对高频逆变电路2的PCB设计来减弱MOSFET间寄生参数的影响。PCB电路将输入电容Cin、MOSFET和输出端子放置在PCB板的顶层，功率回路平行于PCB板平面，形成横向功率环。由于功率回路及振荡回路均位于PCB板顶层，因此PCB板厚度的变化将不会导致寄生电感的增加，不会对电路带来影响。其次，输入电容Cin被放置于MOSFET的漏极和源极中间以使振荡回路的走线长度达到最小，减弱高频振荡对功率回路的影响。再次，PCB板各器件之间走线长度尽可能短，走线宽度尽可能宽，以减弱高频下集肤效应对导线电阻的影响，同时也减小了振荡回路的面积，削弱了寄生参数产生的振荡对功率回路的影响。此外，将PCB板的内电层作为整个电路板的屏蔽层，该层对于保护电路免受功率回路产生的强磁场的影响具有至关重要的作用。功率回路中的电流产生的磁场会再在屏蔽层中感应出电流，该电流方向与功率回路中电流方向相反，因此该电流产生的磁场会反作用于功率回路的磁场，最终消除了磁场，从而减少了电路中的寄生电感。综上，所述PCB电路的优点如下：
(a)振荡回路的寄生电感大大减少；
(b)振荡回路的寄生电感不会受到PCB电路板厚度的影响；
(c)振荡电流的流经面积被缩小，进而减弱了其所产生的电磁干扰的影响；
(d)进行PCB走线设计时，减小了走线长度，增加了走线宽度。因此，减小了高频下集肤效应产生的电阻，进而减少了电路的导通损耗，提高了电路工作效率。
(3)、通过DSP控制电路产生一组互补对称的PWM脉冲，对高频逆变电路2中开关器件的通断进行调制，降低开关损耗，减弱寄生参数对于电路的影响。
本实施例中，本发明的磁耦合谐振式无线电能传输***的结构如图2所示。与传统的逆变器相比，磁耦合谐振式无线电能传输***具有谐振耦合环节，这使整体***具有不同的功率特性、效率特性和阻抗变换特性。根据图2所示的磁耦合谐振式无线电能传输***的结构图，可得到***的输出功率PL，发射线圈和接收线圈之间的传输效率η，如下公式所示：
其中R1，R2分别为发射线圈和接收线圈的内阻；M为发射线圈和接收线圈间互感；ω为***角频率；REQR为接收端等效负载；US为高频逆变电路输出电压基波有效值。
由功率表达式和效率表达式可知，若保持互感恒定即两线圈位置恒定，磁耦合谐振式无线电能传输***的传输效率将随着***工作频率的增加而提高。如果保持***传输效率恒定，则***频率越高，互感越小，即高频供电可以使线圈尺寸更小，传输距离也更远。
最后应说明的是：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：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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权利要求所限定的范围。
Claims (4)
1.一种无线电能传输***，以磁耦合谐振的方式实现电能的无线传输，其特征在于：包括：AC-DC可调直流电源、高频电源装置、发射线圈及接收线圈；所述高频电源装置包括高频逆变电路、驱动电路和DSP控制电路；所述AC-DC可调直流电源将交流低频市电转换为所需的直流电，用作高频逆变电路的输入直流电压；所述高频逆变电路采用全桥式结构，将AC-DC可调直流电源输入的直流电压信号转换为高频交流电压信号，作为磁耦合谐振式无线电能传输***的前级高频电源；所述DSP控制电路通过产生一组互补对称的PWM脉冲对高频逆变电路中开关器件的通断进行调制；所述驱动电路对DSP信号进行放大，将其转换为对开关器件进行驱动的驱动信号，驱动电路在对DSP信号进行放大的同时，也对高频逆变电路与DSP控制电路进行了电气隔离和故障保护，避免主电路与控制电路直接相连，增加了逆变电路的抗干扰能力，提高了逆变电路工作的稳定性；所述发射线圈作为高频逆变电路的负载与其输出端直接相连；所述接收线圈与需用电的负载直接相连接构成负载电路回路；所述发射线圈与接收线圈同轴放置，完全对称，且均包括电感线圈和串联补偿电容；所述发射线圈将高频逆变电路产生的高频交流电能通过磁耦合谐振的方式传输到接收线圈，供给负载使用，实现了电能的无线传输。
2.根据权利要求1所述的一种无线电能传输***，其特征在于：所述高频逆变电路中的开关器件采用SiC MOSFET。
3.根据权利要求2所述的一种无线电能传输***，其特征在于：所述驱动电路采用MOSFET驱动电路结构，并在MOSFET驱动电路结构的基础上增加DC-DC转换器，使DC-DC转换器的输入端与外加的+12V直流电源相连，DC-DC转换器将+12V电压转换为+15V电压与-3V电压输出；输出的+15V电压作为驱动电路中驱动芯片的电源使用，通过此方式为驱动芯片供电，减少了电路中的杂散电容。
4.根据权利要求3所述的一种无线电能传输***，其特征在于：所述前级高频电源装置的设计方法，具体为：
(1)、在高频逆变电路的输入端增加串联的电容Cin和电感Lin组成滤波电路，该滤波电路充分吸收寄生参数产生的高频振荡电流及电压，防止高频振荡电流反馈回流到直流输入端；
(2)、通过对高频逆变电路的PCB设计来减弱电路中开关器件间寄生参数的影响；所述PCB电路将输入电容Cin、开关器件和输出端子放置在PCB板的顶层，功率回路平行于PCB板平面，形成横向功率环；输入电容Cin放置于开关器件的漏极和源极中间以使振荡回路的走线长度达到最小，减弱高频振荡对功率回路的影响；PCB板各器件之间走线长度尽可能短，走线宽度尽可能宽，以减弱高频下集肤效应对导线电阻的影响，同时也减小了振荡回路的面积，削弱了寄生参数产生的振荡对功率回路的影响；此外，将PCB板的内电层作为整个电路板的屏蔽层，该层对于保护电路免受功率回路产生的强磁场的影响具有至关重要的作用；
(3)、通过DSP控制电路产生一组互补对称的PWM脉冲，对高频逆变电路中开关器件的通断进行调制，降低开关损耗，减弱寄生参数对于电路的影响。
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