CN110620416B - 一种单级隔离无线快充*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种新型单级隔离无线快充***，其特征在于，包括全桥整流电路，全桥整流电路自电网取电后将交流电转换为直流电，接入非隔离型的DC/DC变换电路，由DC/DC变换电路进行电压调制后接入无线传输级，由无线传输级对负载进行充电，无线传输级仅用于实现物理隔离及降压。本发明提出的一种新型单级隔离的无线快充***方案具体采用非调制的无线传输级来实现高降压比和隔离功能，同时引入DC/DC调制级，实现了***的隔离、降压、调制等目标。实验结果表明，本发明能显著地提高***的效率。

Description

一种单级隔离无线快充***
技术领域
本发明涉及一种无线快充***。
背景技术
无线充电作为一种非接触式供电方案，在便携式电子设备、可植入医疗器械、电动汽车等诸多领域取得了广泛应用。以手机为代表的中小功率设备为例，现有市场上的无线充电产品方案为了与传统有线充电方案兼容，直接在电源适配器与电池充电管理芯片之间引入发射和接收模块，即实现了电能的无线传输，对手机的锂电池进行充电。
现有产品方案如图1及图2所示，在适配器和无线传输级中存在两级隔离，第一级隔离为适配器中的电气隔离，第二级隔离为无线传输级中存在的物理隔离。同时，适配器、无线传输级和充电管理芯片中存在三级调制，隔离和调制冗余导致***的整体效率不足60％。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有无线充电方案中存在的隔离与调制冗余问题，造成***的整体效率低下。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种单级隔离无线快充***，其特征在于，包括全桥整流电路，全桥整流电路自电网取电后将交流电转换为直流电，接入非隔离型的DC/DC变换电路，由DC/DC变换电路进行电压调制后接入无线传输级，由无线传输级对负载进行充电，无线传输级仅用于实现物理隔离及降压。
优选地，上述无线传输级由发射模块及接收模块组成。发射模块包括半桥逆变电路、发射侧补偿电路和发射线圈。接收模块包括接收线圈、接收侧补偿电路和全桥整流电路。
半桥逆变电路输出接入发射侧补偿电路(由电感L1，电容C1和和电容C2组成)，经发射线圈(等效电感Lp)和接收线圈(等效电感Ls)，接入接收侧补偿电路(电容C3)，经过全桥整流电路给负载供电。
将发射线圈及接收线圈用受控源等效模型表示，所述无线传输级的主要电路参数满足以下条件：
式中，L1表示电感L1的电感值；C1表示电容C1的电容值；Lp表示发射线圈等效电感Lp的电感值；C2表示电容C2的电容值；Ls表示接收线圈等效电感LS的电感值；C3表示电容C3的电容值；Gp,vi表示电感L1、电容C1、电容C2及发射线圈等效电感Lp部分电路的电压-电流增益；m表示电感比值，m＝L1/Lp；Gcoil,iv表示发射线圈及接收线圈的电流-电压增益；M表示发射线圈及接收线圈的互感；k表示线圈磁耦合系数；Gs,vv表示接收线圈等效电感LS及电容C3部分电路的电压-电压增益；Gvv表示总的电压-电压增益。
本发明提出的一种新型单级隔离的无线快充***方案具体采用非调制的无线传输级来实现高降压比和隔离功能，同时引入DC/DC调制级，实现了***的隔离、降压、调制等目标。实验结果表明，本发明能显著地提高***的效率。
附图说明
图1及图2为现有的无线充电方案示意图，其中，图1为方案框架，图2为图1的具体电路模块示意图，图2中的k表示线圈磁耦合系数；
图3及图4为本发明提供的一种单级隔离无线快充***的方案示意图，其中，图3为方案框架，图4为图3的具体电路实现，图4中Vin表示无线传输级的输入电压，Vo表示无线传输级的输出电压，vsw表示半桥逆变输出电压，vrec表示全桥整流输入电压；
图5为本发明中的线圈及其补偿电路的受控源等效电路原理图，图中，ip表示发射线圈中的电流，vp表示发射侧等效受控源的电压，is表示接收线圈中的电流，vs表示接收侧等效受控源的电压；
图6为现有方案的实验结果；
图7为本发明方案的实验结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图3所示，本发明提供的一种单级隔离无线快充***，包括全桥整流电路、非隔离型的DC/DC变换电路及无线传输级。无线传输级仅用于实现物理隔离及降压。其工作过程为：全桥整流电路自电网取电并整流后经DC/DC变换电路和无线传输级，前者实现调制功能、后者实现隔离和降压功能，输出即可接入设备给电池供电。
如图4所示，本发明中的无线传输级由发射模块及接收模块组成。发射模块包括半桥逆变电路、发射侧补偿电路和发射线圈。接收模块包括接收线圈、接收侧补偿电路和全桥整流电路。
半桥逆变电路输出接入发射侧补偿电路(由电感L1，电容C1和和电容C2组成)，经发射线圈(等效电感Lp)和接收线圈(等效电感Ls)，接入接收侧补偿电路(电容C3)，经过全桥整流电路给负载供电。
将发射线圈及接收线圈用受控源等效模型表示，并且为了提高***的效率，无线传输级的主要电路参数满足以下条件：
式中，L1表示电感L1的电感值；C1表示电容C1的电容值；Lp表示发射线圈等效电感Lp的电感值；C2表示电容C2的电容值；Ls表示接收线圈等效电感LS的电感值；C3表示电容C3的电容值；Gp,vi表示电感L1、电容C1、电容C2及发射线圈等效电感Lp部分电路的电压-电流增益；m表示电感比值，m＝L1/Lp；Gcoil,iv表示发射线圈及接收线圈的电流-电压增益；M表示发射线圈及接收线圈的互感；k表示线圈磁耦合系数；Gs,vv表示接收线圈等效电感LS及电容C3部分电路的电压-电压增益；Gvv表示总的电压-电压增益。
从Gvv的表达式来看，其与线圈磁耦合系数k(0<k<1)、电感比值m(0<m<1)及发射-接收线圈电感比值开根号(可以看作是变压器的变比)有关。因此，在弱磁耦合情况下，可以通过合理的电路参数选择，获得高降压比的功能。
按照上述所提方案，针对无线传输级制成样机，并与现有最好的产品进行对比实验。其各自参数如下表1所示：
表1.现有产品与本发明方案样机参数
基于上述参数的实验对比如图5及图6所示。如图5所示，现有产品方案下，其实现的峰值效率为73％；而图6所示的本发明提供的方案下，可实现82％的峰值效率。由此可见，本发明所提的单级隔离无线快充***拓扑架构方案能够有效地克服现有产品方案中存在的不足，显著地提升效率。

Claims (1)

1.一种单级隔离无线快充***，其特征在于，包括全桥整流电路，全桥整流电路自电网取电后将交流电转换为直流电，接入非隔离型的DC/DC变换电路，由DC/DC变换电路进行电压调制后接入无线传输级，由无线传输级对负载进行充电，无线传输级仅用于实现物理隔离及降压，其中：
所述无线传输级由发射模块及接收模块组成；发射模块包括半桥逆变电路、发射侧补偿电路和发射线圈；接收模块包括接收线圈、接收侧补偿电路和全桥整流电路；
半桥逆变电路输出接入由电感L1，电容C1和和电容C2组成的发射侧补偿电路，经发射线圈和接收线圈，接入包括电容C3的接收侧补偿电路，经过全桥整流电路给负载供电；
将发射线圈及接收线圈用受控源等效模型表示，所述无线传输级的主要电路参数满足以下条件：
式中，L1表示电感L1的电感值；C1表示电容C1的电容值；Lp表示发射线圈等效电感Lp的电感值；C2表示电容C2的电容值；Ls表示接收线圈等效电感Ls的电感值；C3表示电容C3的电容值；Gp,vi表示电感L1、电容C1、电容C2及发射线圈等效电感Lp部分电路的电压-电流增益；m表示电感比值，m＝L1/Lp；Gcoil,iv表示发射线圈及接收线圈的电流-电压增益；M表示发射线圈及接收线圈的互感；k表示线圈磁耦合系数；Gs,vv表示接收线圈等效电感LS及电容C3部分电路的电压-电压增益；Gvv表示总的电压-电压增益；
在弱磁耦合情况下，通过合理的电路参数选择，使无线传输级的降压比达到10:1至20:1。
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