CN109861566A - 一种同步整流电路、同步整流方法和无线充电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同步整流电路、同步整流方法和无线充电装置，包括由4个MOS管组成的桥式整流电路、同步整流检测电路和全控整流驱动电路；桥式整流电路的输入为副边串联谐振回路的输出；同步整流检测电路，包括第一同步整流检测模块和第二同步整流检测模块，第一同步整流检测模块用于检测第三MOS管T3的漏源极电压并输出第一驱动信号，第二同步整流检测模块用于检测第四MOS管T4的漏源极电压并输出第二驱动信号；全控整流驱动电路，用于将第一驱动信号和第二驱动信号放大后分别驱动第一MOS管组和第二MOS管组。本发明简化了整体结构，降低了***控制难度，提高了***传输效率。
Description
技术领域
本发明属于无线电能传输领域，具体涉及一种同步整流电路、同步整流方法和无线充电装置。
背景技术
无线电能传输是以电磁场为媒介实现电能的传递。对于无线电能传输***，需要将变压器一次、二次绕组分开，通过高频磁场的耦合传输电能。与传统接触式电能传输***相比，无线电能传输使用方便安全、无火花及触电危险、无积尘和接触损耗、无机械磨损和相应的维护问题，可适应多种恶劣环境和天气。
应用于电池充电***中的无线充电装置便于实现无人自动充电和移动式充电。无线充电装置的传输效率是***的一个重要考核指标，如果***的传输效率较低，则表明在能量传输过程中较多的电能转换为热能而被消耗，热能的积累从而导致***温度的升高影响***运行。在电池无线充电***中，通常需要实现恒压恒流的多阶段控制，并尽量提高***的传输效率，从而出现了多种拓扑结构和控制方法，典型的方法如在发射回路和接收回路分别放置DC/DC电路，利用接收回路DC/DC电路可以控制装置的输出电压，同时通过等步长调节发射回路DC/DC电路的输出电压来搜索最小输入电流点可实现装置最大传输效率，但是该方法调节过程缓慢，并且***复杂；也有省去接收回路的DC/DC电路，采用半控整流电路实现***的最大传输效率；还有省去发射回路DC/DC电路，通过DC/DC的变换器实现***的恒压恒流的充电控制和最大传输效率；但是这些方法的拓扑结构和控制***都比较复杂。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在的问题和不足，提出一种同步整流电路、同步整流方法和无线充电装置，简化了整体结构，降低了***控制难度，提高了***传输效率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种同步整流电路，包括由4个MOS管组成的桥式整流电路、同步整流检测电路和全控整流驱动电路，4个MOS管分别为第一MOS管T1、第二MOS管T2、第三MOS管T3和第四MOS管T4，第二MOS管T2和第三MOS管T3为第一MOS管组，第一MOS管T1和第四MOS管T4为第二MOS管组；
桥式整流电路的输入为副边串联谐振回路的输出；
同步整流检测电路，包括第一同步整流检测模块和第二同步整流检测模块，第一同步整流检测模块用于检测第三MOS管T3的漏源极电压并输出第一驱动信号，第二同步整流检测模块用于检测第四MOS管T4的漏源极电压并输出第二驱动信号；
全控整流驱动电路，用于将第一驱动信号和第二驱动信号放大后分别驱动第一MOS管组和第二MOS管组。
进一步地完善上述技术方案，全控整流驱动电路包括第一驱动放大模块和第二驱动放大模块；
所述第一驱动信号和第二驱动信号相与后输出关断信号至第一驱动模块和第二驱动模块；第一驱动信号分别输出至第一驱动放大模块的低端输入LI1和第二驱动放大模块的高端输入HI2，第一驱动放大模块的低端输出LO1连接第三MOS管T3的栅极G3，第二驱动放大模块的高端输出HO2连接第二MOS管T2的栅极G2；第二驱动信号分别输出至第一驱动放大模块的高端输入HI1和第二驱动放大模块的低端输入LI2，第一驱动放大模块的高端输出HO1连接第一MOS管T1的栅极G1，第二驱动放大模块的低端输出LO2连接第四MOS管T4的栅极G4。将第一驱动信号和第二驱动信号相与后输出关断信号，控制第一驱动放大模块和第二驱动放大模块的工作状态，避免同一桥臂的MOS管同时导通。
进一步地，第一同步整流检测模块和第二同步整流检测模块采用型号IR11672芯片。
进一步地，第一驱动放大模块和第二驱动放大模块采用型号IR2110芯片。
进一步地，还包括滤波稳压电路，滤波稳压电路采用第二滤波稳压电容C2，桥式整流电路的输出连接第二滤波稳压电容C2。采用滤波稳压电路对桥式整流电路的输出滤波稳压，输出稳定的直流电压为负载供电。
本发明提供一种同步整流电路的同步整流方法，包括如下步骤：
(1)检测桥式整流电路中第三MOS管T3和第四MOS管T4的漏源极电压，根据第三MOS管T3和第四MOS管T4的漏源极电压分别输出第一驱动信号和第二驱动信号；当漏源极电压VDS小于第二阈值电压VTH2时，驱动信号输出高电平；当源漏极电压VDS大于第一阈值电压VTH1时，驱动信号输出低电平；当源漏极电压VDS大于第三阈值电压VTH3时，允许再次输出驱动信号；
(2)将第一驱动信号和第二驱动信号相与后输出关断信号，控制第一驱动放大模块和第二驱动放大模块的工作/关断；当第一驱动信号和第二驱动信号均为高电平时，第一驱动放大模块和第二驱动放大模块均关断不工作；当第一驱动信号或第二驱动信号输出高电平时，第一驱动放大模块和第二驱动放大模块均处于工作状态；
第一驱动信号经第一驱动放大模块的低端放大后驱动第三MOS管T3，同时第一驱动信号经第二驱动放大模块的高端放大后驱动第二MOS管T2；第二驱动信号经第一驱动放大模块的高端放大后驱动第一MOS管T1，第二驱动信号经第二驱动放大模块的低端放大后驱动第四MOS管T4。
本发明提供一种采用所述同步整流电路的无线充电装置，包括发射端和接收端；
发射端包括依次连接的输入电源电压Vin、第一滤波稳压电容C1、全桥逆变电路、原边串联谐振回路，发射端还包括用于采集原边串联谐振回路电流信号的发射端信号采集电路、发射端控制器、全桥逆变驱动电路和无线收发模块，发射端信号采集电路、全桥逆变驱动电路和无线收发模块分别与发射端控制器连接；
接收端包括依次连接的副边串联谐振回路、同步整流电路、第二滤波稳压电容C2、输出电源电压Vout和负载；接收端还包括用于采集输出电流和电压信号的接收端信号采集电路、接收端控制器和无线收发模块，接收端信号采集电路、无线收发模块和同步整流电路中的同步整流检测电路分别与接收端控制器连接。
本发明的有益效果：本发明采用由MOS管构成的桥式整流电路，结合同步整流检测电路和全控整流驱动电路进行整流，简化了***结构，降低了损耗，提高了***传输效率；本发明发射端与接收端之间通过无线收发模块通信，在发射端和接收端相对位置和充电负载发生变化的情况下，通过调节发射端全桥逆变电路的开关频率和全桥移相控制角来实现最优传输效率，降低了***的控制难度。
附图说明
图1为本发明所述同步整流电路的电路图；
图2为图1中IR11672芯片和IR2110芯片引脚图；
图3为图1的波形图；
图4为采用图1的同步整流电路的无线充电装置电路图。
具体实施方式
为使本发明创造的内容更加清楚，下面结合附图，对本发明创造的具体实施方式作进一步详细描述。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明创造无关的、本领域普通技术人员已知的部件的表示和描述。
实施例1：
本发明提供的一种同步整流电路，如图1所示，包括由4个MOS管组成的桥式整流电路、同步整流检测电路和全控整流驱动电路，4个MOS管分别为第一MOS管T1、第二MOS管T2、第三MOS管T3和第四MOS管T4，第二MOS管T2和第三MOS管T3为第一MOS管组，第一MOS管T1和第四MOS管T4为第二MOS管组；
桥式整流电路的输入为副边串联谐振回路的输出；
同步整流检测电路，包括第一同步整流检测模块和第二同步整流检测模块，第一同步整流检测模块用于检测第三MOS管T3的漏源极电压并输出第一驱动信号，第二同步整流检测模块用于检测第四MOS管T4的漏源极电压并输出第二驱动信号；
全控整流驱动电路，用于将第一驱动信号和第二驱动信号放大后分别驱动第一MOS管组和第二MOS管组。全控整流驱动电路包括第一驱动放大模块和第二驱动放大模块；所述第一驱动信号和第二驱动信号相与后输出关断信号至第一驱动模块和第二驱动模块；第一驱动信号分别输出至第一驱动放大模块的低端输入LI1和第二驱动放大模块的高端输入HI2，第一驱动放大模块的低端输出LO1连接第三MOS管T3的栅极G3，第二驱动放大模块的高端输出HO2连接第二MOS管T2的栅极G2；第二驱动信号分别输出至第一驱动放大模块的高端输入HI1和第二驱动放大模块的低端输入LI2，第一驱动放大模块的高端输出HO1连接第一MOS管T1的栅极G1，第二驱动放大模块的低端输出LO2连接第四MOS管T4的栅极G4。
同步整流电路还包括滤波稳压电路，滤波稳压电路采用第二滤波稳压电容C2，桥式整流电路的输出连接第二滤波稳压电容C2。
如图2所示，第一同步整流检测模块和第二同步整流检测模块采用型号IR11672芯片，第一驱动放大模块和第二驱动放大模块采用型号IR2110芯片；
第一同步整流检测模块的5脚VD(FET漏极检测端)连接至第三MOS管T3的漏极，第一同步整流检测模块的6脚VS(FET源极检测端)连接至第三MOS管T3的源极；第二同步整流检测模块的5脚VD(FET漏极检测端)连接至第四MOS管T4的漏极，第二同步整流检测模块的6脚VS(FET源极检测端)连接至第四MOS管T4的源极；第一同步整流检测模块的8脚VGATE输出第一驱动信号，第二同步整流检测模块的8脚VGATE输出第二驱动信号。通过IR11672芯片来实时检测第三MOS管T3和第四MOS管T4的漏源极电压并输出相应的驱动信号。
第一驱动信号和第二驱动信号连接至与门的输入，与门的输出分别连接第一驱动放大模块11脚SD1(关断端)和第二驱动放大模块11脚SD2(关断端)。当第一驱动信号和第二驱动信号均为高电平时，二者相与后输出高电平信号至驱动放大模块的SD端，使得驱动放大模块关断不工作，避免同一桥臂的MOS管同时导通。
第一同步整流检测模块的8脚VGATE分别连接第一驱动放大模块的12脚LI1(低端输入)和第二驱动放大模块的10脚HI2(高端输入)，第一驱动放大模块的1脚LO1(低端输出)连接第三MOS管T3的栅极，第二驱动放大模块的7脚HO2(高端输出)连接第二MOS管T2的栅极；第二同步整流检测模块的8脚VGATE分别连接第一驱动放大模块的10脚HI1(高端输入)和第二驱动放大模块的12脚LI2(低端输入)，第一驱动放大模块的7脚HO1(高端输出)连接第一MOS管T1的栅极，第二驱动放大模块的1脚LO2(低端输出)连接第四MOS管T4的栅极。采用两个IR2110芯片将第一驱动信号和第二驱动信号放大后分别驱动第一MOS管组和第二MOS管组，从而实现对副边串联谐振回路输出电流的整流。
一种采用上述同步整流电路的整流方法，包括如下步骤：
(1)检测桥式整流电路中第三MOS管T3和第四MOS管T4的漏源极电压，根据第三MOS管T3和第四MOS管T4的漏源极电压分别输出第一驱动信号和第二驱动信号；当漏源极电压VDS小于第二阈值电压VTH2时，驱动信号输出高电平；当源漏极电压VDS大于第一阈值电压VTH1时，驱动信号输出低电平；当源漏极电压VDS大于第三阈值电压VTH3时，允许再次输出驱动信号；
(2)将第一驱动信号和第二驱动信号相与后输出关断信号，控制第一驱动放大模块和第二驱动放大模块的工作/关断；当第一驱动信号和第二驱动信号均为高电平时，第一驱动放大模块和第二驱动放大模块均关断不工作；当第一驱动信号或第二驱动信号输出高电平时，第一驱动放大模块和第二驱动放大模块均处于工作状态；
第一驱动信号经第一驱动放大模块的低端放大后驱动第三MOS管T3，同时第一驱动信号经第二驱动放大模块的高端放大后驱动第二MOS管T2；第二驱动信号经第一驱动放大模块的高端放大后驱动第一MOS管T1，第二驱动信号经第二驱动放大模块的低端放大后驱动第四MOS管T4。
具体工作原理如下：副边串联谐振回路输出正弦波电流，在正弦波的下半周时，第二MOS管T2和第三MOS管T3体内二极管导通，IR11672芯片检测第三MOS管T3漏源极电压，经过芯片内部比较运算输出第一驱动信号为高电平，从而驱动第一MOS管组导通工作；当正弦波接近过零点时，由于电流值减小，MOS管的导通压降为流过电流与导通电阻的乘积，导致漏源极电压减小，IR11672芯片经内部比较运算输出第一驱动信号为低电平，从而第一MOS管组截止不工作；同样，在正弦波上半周时，第一MOS管T1和第四MOS管T4体内二极管导通，IR11672芯片检测第四MOS管T4漏源极电压，经过芯片内部比较运算输出第二驱动信号为高电平，从而驱动第二MOS管组导通工作；当正弦波接近过零点时，第二驱动信号为低电平，从而第二MOS管组截止不工作；因而，同步整流检测电路实现了正弦波信号的过零比较功能，使得第一MOS管组和第二MOS管组的交替导通整流。如图3所示，IDS为正弦波电流，VDS为电流IDS流过MOS管形成的漏源极电压，Gate Drive为IR11672芯片输出的驱动信号，MOT为驱动信号最小开通时间。当漏源极电压VDS小于第二阈值电压VTH2，驱动信号输出高电平使得MOS管导通，MOS管体内二极管截止；当漏源极电压VDS大于第一阈值电压VTH1时，驱动信号输出低电平使得MOS管截止，MOS管体内二极管导通；当漏源极电压VDS大于第三阈值电压VTH3后，允许再次输出驱动信号，锁定时间为tBLANK。
一种采用上述同步整流电路的无线充电装置，如图4所示，包括发射端和接收端；
发射端包括依次连接的输入电源电压Vin、第一滤波稳压电容C1、全桥逆变电路、原边串联谐振回路，发射端还包括用于采集原边串联谐振回路电流信号的发射端信号采集电路、发射端控制器、全桥逆变驱动电路和无线收发模块，发射端信号采集电路、全桥逆变驱动电路和无线收发模块分别与发射端控制器连接。原边串联谐振回路的电流信号由电流互感器CT和发射端信号采集电路采集输入到发射端控制器的A/D转换接口，发射端控制器根据采样电流值调整全桥逆变电路的开关频率。
接收端包括依次连接的副边串联谐振回路、同步整流电路、第二滤波稳压电容C2、输出电源电压Vout和负载。接收端还包括用于采集输出电流和电压信号的接收端信号采集电路、接收端控制器和无线收发模块，输出电流信号由霍尔传感器HT采集；接收端信号采集电路、无线收发模块和同步整流电路分别与接收端控制器连接。接收端信号采集电路对霍尔电流传感器HT的输出信号和输出电源电压Vout进行采集调理后输入接收端控制器，接收端控制器对接收端信号采集电路的输出信号进行A/D转换，同时通过无线收发模块将接收端信息传输至发射端控制器，发射端控制器根据收到的接收端电流电压信号进行移相角的调节。
本发明的具体参数：输入电源电压Vin为DC48V，第一滤波稳压电容C1与第二滤波稳压电容C2均为330uF，全桥逆变电路的4个开关管和同步整流电路的4个开关管均采用的型号为FDP045N10A的MOSFET，发射端谐振电容CS1的电容值为1.4uF，接收端谐振电容CS2的电容值为1.2uF，发射端控制器主控芯片为TMS320F28035，接收端控制器的主控芯片为STM32F103，全桥逆变驱动电路采用IR2110芯片，无线收发模块采用NRF24L01芯片；输出电源电压Vout为DC30V，功率500W，效率为88％。
以上仅表达了本发明创造的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明创造专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明创造的保护范围。因此，本发明创造专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种同步整流电路，其特征在于：包括由4个MOS管组成的桥式整流电路、同步整流检测电路和全控整流驱动电路，4个MOS管分别为第一MOS管T1、第二MOS管T2、第三MOS管T3和第四MOS管T4，第二MOS管T2和第三MOS管T3为第一MOS管组，第一MOS管T1和第四MOS管T4为第二MOS管组；
桥式整流电路的输入为副边串联谐振回路的输出；
同步整流检测电路，包括第一同步整流检测模块和第二同步整流检测模块，第一同步整流检测模块用于检测第三MOS管T3的漏源极电压并输出第一驱动信号，第二同步整流检测模块用于检测第四MOS管T4的漏源极电压并输出第二驱动信号；
全控整流驱动电路，用于将第一驱动信号和第二驱动信号放大后分别驱动第一MOS管组和第二MOS管组。
2.根据权利要求1所述的同步整流电路，其特征在于：全控整流驱动电路包括第一驱动放大模块和第二驱动放大模块；
所述第一驱动信号和第二驱动信号相与后输出关断信号至第一驱动模块和第二驱动模块；第一驱动信号分别输出至第一驱动放大模块的低端输入LI1和第二驱动放大模块的高端输入HI2，第一驱动放大模块的低端输出LO1连接第三MOS管T3的栅极G3，第二驱动放大模块的高端输出HO2连接第二MOS管T2的栅极G2；第二驱动信号分别输出至第一驱动放大模块的高端输入HI1和第二驱动放大模块的低端输入LI2，第一驱动放大模块的高端输出HO1连接第一MOS管T1的栅极G1，第二驱动放大模块的低端输出LO2连接第四MOS管T4的栅极G4。
3.根据权利要求2所述的同步整流电路，其特征在于：第一同步整流检测模块和第二同步整流检测模块采用型号IR11672芯片。
4.根据权利要求2所述的同步整流电路，其特征在于：第一驱动放大模块和第二驱动放大模块采用型号IR2110芯片。
5.根据权利要求1-4任一权利要求所述的同步整流电路，其特征在于：还包括滤波稳压电路，滤波稳压电路采用第二滤波稳压电容C2，桥式整流电路的输出连接第二滤波稳压电容C2。
6.一种权利要求1-5任一权利要求所述的同步整流电路的同步整流方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)检测桥式整流电路中第三MOS管T3和第四MOS管T4的漏源极电压，根据第三MOS管T3和第四MOS管T4的漏源极电压分别输出第一驱动信号和第二驱动信号；当漏源极电压VDS小于第二阈值电压VTH2时，驱动信号输出高电平；当源漏极电压VDS大于第一阈值电压VTH1时，驱动信号输出低电平；当源漏极电压VDS大于第三阈值电压VTH3时，允许再次输出驱动信号；
(2)将第一驱动信号和第二驱动信号相与后输出关断信号，控制第一驱动放大模块和第二驱动放大模块的工作/关断；当第一驱动信号和第二驱动信号均为高电平时，第一驱动放大模块和第二驱动放大模块均关断不工作；当第一驱动信号或第二驱动信号输出高电平时，第一驱动放大模块和第二驱动放大模块均处于工作状态；
第一驱动信号经第一驱动放大模块的低端放大后驱动第三MOS管T3，同时第一驱动信号经第二驱动放大模块的高端放大后驱动第二MOS管T2；第二驱动信号经第一驱动放大模块的高端放大后驱动第一MOS管T1，第二驱动信号经第二驱动放大模块的低端放大后驱动第四MOS管T4。
7.一种采用权利要求1-5任一权利要求所述同步整流电路的无线充电装置，其特征在于：包括发射端和接收端；
发射端包括依次连接的输入电源电压Vin、第一滤波稳压电容C1、全桥逆变电路、原边串联谐振回路，发射端还包括用于采集原边串联谐振回路电流信号的发射端信号采集电路、发射端控制器、全桥逆变驱动电路和无线收发模块，发射端信号采集电路、全桥逆变驱动电路和无线收发模块分别与发射端控制器连接；
接收端包括依次连接的副边串联谐振回路、同步整流电路、第二滤波稳压电容C2、输出电源电压Vout和负载；接收端还包括用于采集输出电流和电压信号的接收端信号采集电路、接收端控制器和无线收发模块，接收端信号采集电路、无线收发模块和同步整流电路中的同步整流检测电路分别与接收端控制器连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190607 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |