CN112928828A - 一种可调频率的单逆变器输出多频正弦波装置 - Google Patents

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CN112928828A CN202110160316.7A CN202110160316A CN112928828A CN 112928828 A CN112928828 A CN 112928828A CN 202110160316 A CN202110160316 A CN 202110160316A CN 112928828 A CN112928828 A CN 112928828A
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殷婧
高鹏飞
张吉涛
王延峰
陶加贵
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孔维豪
孟清谱
瓦茨拉夫·斯纳谢尔
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Abstract

本发明提出了一种可调频率的单逆变器输出多频正弦波装置，用以解决现有无线传能中频率标准不统一及单一频率不能满足多个不同频率负载同时供电需求的问题。本发明的直流电源与单相全桥逆变器相连接，频率发生器模块与单相全桥逆变器相连接，单相全桥逆变器分别与发射端补偿电路相连接，各个发射端补偿电路与各自的发射线圈连接，发射线圈通过磁耦合谐振将能量传递至接收线圈接收，接收线圈将交流电传递给各自的接收端补偿电路，接收端补偿电路连接整流器，整流器连接负载。本发明采用单逆变器实现双频/多频输出功能，大大减少了发射端逆变器的数量；能够工作在任意频率点，大大提高了***的灵活性。

Description

一种可调频率的单逆变器输出多频正弦波装置
技术领域
本发明涉及无线充电的技术领域，尤其涉及一种可调频率的单逆变器输出多频正弦波装置。
背景技术
无线传能成为当前能量传输领域的一个研究前沿，也是近年来备受科学界和产业界关注的一个研究热点。近场磁耦合式无线电能传输技术(Wireless Power Transfer，WPT)是一种新兴的电能传输技术，其利用耦合线圈间的电磁感应实现电能的无线传输。相比于传统的有线电能传输，无线电能传输技术具有安全、可靠、便捷、环境适应性强等优点。但其仍存在一些困难和挑战，其中之一便是充电频率标准不统一。目前，无线电能传输技术领域已形成Qi、PMA、A4WP、SAE、PT61980等多个技术标准，例如：Qi工作频段为110-205kHz、PMA工作频段为110-300kHz、A4WP工作频段为6.78MHz±15kHz、SAE工作频段为81.38-90kHz。然而遵循这些标准的无线电能传输***通常工作在单一频率，且其工作频率并不统一。但已有的单一工作频率的无线电能充电平台只能供与其工作频率相同的接收机进行充电，无法给多个不同工作频率的接收机同时供电。
为了解决这个问题，专家和学者对此进行了深入研究，也取得了一些进展。文献“Y.-J.Kim,D.Ha,W.J.Chappell,and P.P.Irazoqui,‘Selective wireless powertransfer for smart power distribution in a miniature-sized multiple-receiversystem,’IEEE Trans.Ind.Electron.,vol.63,no.3,pp.1853–1862,Mar.2016.”研究了一种用于多标准接收机间智能功率分配的选择性WPT***。但其逆变器输出频率采用分时复用原则，不能对多个不同频率的负载同时供电，严格地说，它应该被归类为单频WPT***。文献“F.Liu,Y.Yang,Z.Ding,X.Chen,and R.M.Kennel,‘A multifrequency superpositionmethodology to achieve high effificiency and targeted power distribution fora multiload MCR WPT system,’IEEE Trans.Power Electron.,vol.33,no.10,pp.9005–9016,Oct.2018.”提出了采用变压器实现多频叠加获得多频信号，但这增加了***的负载性并增加了变压器损耗。文献“T.Mei,X.Zhang,F.Liu,and X.Chen,‘Multi-frequencyPhase-shifted Angle Control Strategy for a Two-phase MCR WPT system withMultiple Loads to Achieve Targeted Power Distribution and Stable TransmissionPower,’IEEE 10.1109/APEC.2019.8721784,May 2019”采用两个全桥逆变器以满足两个不同频率负载的同时传能需求，但这大大增加了设备体积和***复杂性，在一定程度上降低了无线传能的优势。
发明内容
针对现有无线传能中频率标准不统一，不能对多个不同频率的负载同时供电的技术问题，本发明提出了一种可调频率的单逆变器输出多频正弦波装置，采用单逆变器实现双频/多频输出功能，大大减少了发射端逆变器的数量，避免了无线充电发射端的重复浪费。同时，本发明能够工作在任意频率点，为了保证***始终在谐振频率点工作，进而使***达到最大传输效率和最大传输功率，还增加了可调电容模块，大大提高了***的灵活性，克服了目前广泛使用的多电容组合式补偿电路的缺点。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种可调频率的单逆变器输出多频正弦波装置，包括直流电源、单相全桥逆变器、频率发生器模块及至少两个发射端补偿电路、发射线圈、接收线圈、接收端补偿电路、整流器和负载，直流电源与单相全桥逆变器相连接，频率发生器模块与单相全桥逆变器相连接，频率发生器模块产生目标频率的脉冲调制信号控制单相全桥逆变器将直流电转变为包含目标频率的交流电；单相全桥逆变器分别与发射端补偿电路相连接，发射端补偿电路将电路谐振频率调制至单相全桥逆变器的发射频率；各个发射端补偿电路与各自的发射线圈连接，发射线圈通过磁耦合谐振将能量传递至接收线圈接收，接收线圈将交流电传递给各自的接收端补偿电路，接收端补偿电路连接整流器，整流器连接负载，整流器将交流电进行整流并将交流电变为直流电并供给对应的负载。
所述发射端补偿电路包括发射端补偿电路I和发射端补偿电路II，接收端补偿电路包括接收端补偿电路I和接收端补偿电路II，所述发射端补偿电路I与发射线圈I相连接，发射线圈I与接收线圈I相匹配，接收线圈I与接收端补偿电路I相连接，接收端补偿电路I与整流器I相连接，整流器I与负载I相连接；所述发射端补偿电路II与发射线圈II相连接，发射线圈II与接收线圈II相匹配，接收线圈II与接收端补偿电路II相连接，接收端补偿电路II与整流器II相连接，整流器II与负载II相连接；所述频率发生器模块为双频发生器模块。
所述双频发生器模块包括两个正弦波产生器、一个高频三角波发生器、一个数字加法器、一个比较器和一个反相器，两个正弦波产生器均与数字加法器相连接，数字加法器和高频三角波发生器均与比较器相连接，比较器与反相器相连接，所述比较器的输出端得到两个控制信号，反相器的输出端得到两个控制信号，四个控制信号分别与单相全桥逆变器的功率开关管相连接。
所述比较器的输出端分别输出控制信号G1和控制信号G4，反相器的输出端分别输出控制信号G2和控制信号G3；控制信号G1、G2、G3、G4分别与单相全桥逆变器的功率开关管Q1、Q2、Q3、Q4相连接，四个功率开关管Q1、Q2、Q3、Q4组成,H桥式电路，即功率开关管Q1和功率开关管Q2构成一个桥臂，功率开关管Q3和功率开关管Q4构成另一个桥臂，功率开关管Q1和功率开关管Q3为上桥臂，功率开关管Q2和功率开关管Q4为下桥臂；两个桥臂的中点分别为输出端A和输出端B，两个发射端补偿电路并接在输出端A和输出端B上；所述功率开关管Q1～Q4上都有反并联二极管。
所述发射端补偿电路和接收端补偿电路中均设有可调电容模块，成对出现的2N个可调电容模块通过调节自身电容值将电路谐振频率分别调制至相匹配的N个发射线圈的发射频率；所述电路谐振频率
Figure BDA0002935210100000031
f0由各个电路本身固有的线圈电感值L和可调电容容值C决定。
所述可调电容模块包括场效应晶体管S1、场效应晶体管S2和并联电容器Ca，场效应晶体管S1的漏极与场效应晶体管S2的漏极相连接，且场效应晶体管S1的源极与场效应晶体管S2的源极之间并联有并联电容器Ca，调节可调电容的控制信号分别控制场效应晶体管S1与场效应晶体管S2的栅极开闭；所述的场效应晶体管S1的栅极与隔离驱动器相连接，场效应晶体管S2的栅极与低边驱动器相连接，隔离驱动器和低边驱动器均与脉冲宽度调制信号相连接。
所述发射线圈通过磁耦合谐振将能量传递至接收线圈，接收线圈将交流电传递给接收端补偿电路，发射端补偿电路和接收端补偿电路的可调电容模块使其工作在***谐振频率，以达到最大传输效率和最大传输功率需求，并且可以根据不同的技术标准调整相应的传输频率。所述发射线圈在传输能量的同时，采用无线电能与信息同时传输技术，将控制信号以无线方式传输到接收侧，用以控制可变电容模块将电路谐振频率调制至相匹配的发射线圈的发射频率。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、实现了多频工作的无线电能传输，大大减少了发射端逆变器的数量，避免了无线充电发射端的重复浪费。
2、原理清晰，结构简单，便于实现，具有可扩展性，可以实现两个及两个以上频率的应用需求，并可适应负载频率的任意切换，对预调制的输出频率、幅值等进行在线调节，可用于实时***。
3、本发明能够工作在任意频率点，增加了可调电容模块保证始终在谐振频率点工作，从而使***达到最大传输效率和最大传输功率，大大提高了***的灵活性，克服了目前广泛使用的多电容组合式补偿电路的缺点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的原理结构图。
图2为本发明为单相全桥逆变器的电路图。
图3为本发明双频发生器模块的原理图。
图4为本发明可调电容模块的结构示意图。
图5为图4的控制波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种可调频率的单逆变器输出多频正弦波装置，包括直流电源、单相全桥逆变器、频率发生器模块及至少两个发射端补偿电路、发射线圈、接收线圈、接收端补偿电路、整流器和负载，直流电源与单相全桥逆变器相连接，频率发生器模块与单相全桥逆变器相连接，频率发生器模块产生目标频率的脉冲调制信号控制单相全桥逆变器将直流电转变为包含目标频率的交流电；单相全桥逆变器分别与发射端补偿电路相连接，发射端补偿电路将电路谐振频率调制至单相全桥逆变器的发射频率；各个发射端补偿电路与各自的发射线圈连接，发射线圈通过磁耦合谐振将能量传递至接收线圈接收，接收线圈将交流电传递给各自的接收端补偿电路，接收端补偿电路连接整流器，整流器连接负载，整流器将交流电进行整流并将交流电变为直流电并供给给对应的负载。
频率发生器模块为双频/多频发生器模块，产生脉冲调制信号控制单相全桥逆变器的开闭，以产生包含多个预输出频率的方波信号，将直流电源提供的直流电逆变为含有目标频率的交流电。
如图1所示，设有两个发射端补偿电路和两个负载，两个发射端补偿电路的谐振频率不相同，可以为不同频率的信号提供传输通道，为不同频率的负载供能。所述发射端补偿电路包括发射端补偿电路I和发射端补偿电路II，接收端补偿电路包括接收端补偿电路I和接收端补偿电路II，所述发射端补偿电路I与发射线圈I相连接，发射线圈I与接收线圈I相匹配，接收线圈I与接收端补偿电路I相连接，接收端补偿电路I与整流器I相连接，整流器I与负载I相连接；所述发射端补偿电路II与发射线圈II相连接，发射线圈II与接收线圈II相匹配，接收线圈II与接收端补偿电路II相连接，接收端补偿电路II与整流器II相连接，整流器II与负载II相连接；单相全桥逆变器输出端分别与两路不同谐振频率的发射端补偿电路I和发射端补偿电路II相连接，不同频率的信号进入对应谐振频率的发射端补偿电路，从而将单相全桥逆变器输出的多频信号分离；两路发射端补偿电路分别与各自发射线圈相连接，通过两对发射与接收线圈实现对应频率能量的无线传输，并在接收线圈侧依次连接对应谐振频率的接收端补偿电路和整流器，以将交流电转化为直流电供负载使用。
所述发射线圈通过磁耦合谐振将能量传递至接收线圈，接收线圈将交流电传递给接收端补偿电路，发射端补偿电路和接收端补偿电路使***工作在***谐振频率，以使***达到最大传输效率和最大传输功率需求，整流器将交流电进行整流并将交流电变为直流电然后与对应负载连接。
所述频率发生器模块为双频/多频发生器模块。如图3所示，所述双频发生器模块包括两个正弦波产生器、一个高频三角波发生器、一个数字加法器、一个比较器和一个反相器组，两个正弦波产生器均与数字加法器相连接，数字加法器和高频三角波发生器均与比较器相连接，比较器与反相器相连接，所述比较器的输出端得到两个控制信号，反相器的输出端得到两个控制信号，四个控制信号分别与单相全桥逆变器的功率开关管相连接，控制信号使单相全桥逆变器输出含有目标双频的方波信号。数字加法器将由两个正弦波产生器输出的频率、幅值、相位均可调的两路正弦波(如：信号f1、信号f2)相叠加，之后通过高速的比较器与高频三角波发生器产生的高频三角载波信号进行幅值比较，当正弦波信号f1与f2相加后获得的合成信号的幅值大于或等于高频三角载波信号的幅值时输出为高电平，否则为低电平，从而产生控制信号G1、G4，将方波脉冲控制信号G1、G4通过反相器取反就能得到控制信号G2、G3。
所述比较器的输出端分别输出控制信号G1和控制信号G4，反相器的输出端分别输出控制信号G2和控制信号G3。如图2所示，控制信号G1与单相全桥逆变器的功率开关管Q1的栅极相连接，控制信号G2与单相全桥逆变器的功率开关管Q2的栅极相连接，控制信号G3与单相全桥逆变器的功率开关管Q3的栅极相连接，控制信号G4与单相全桥逆变器的功率开关管Q4的栅极相连接，以驱动单相全桥逆变器产生目标双频输出信号。功率开关管Q1的源极与功率开关管Q2的漏极串联连接，功率开关管Q3的源极与功率开关管Q4的漏极串联连接，功率开关管Q1的漏极和功率开关管Q3的漏极均与直流电源的正极相连接，功率开关管Q2的源极和功率开关管Q4的源极均与直流电源的负极相连接，直流电源的电压是VDC。功率开关管Q1与功率开关管Q2的中点即功率开关管Q1的源极与功率开关管Q2的漏极之间为输出端A，功率开关管Q3与功率开关管Q4的中点即功率开关管Q3的源极与功率开关管Q4的漏极之间为输出端B，发射端补偿电路I与发射端补偿电路II并联后与输出端A和输出端B相连接；所述功率开关管Q1～Q4上分别有寄生的反并联二极管D1～D4，以控制信号G1、G2、G3、G4驱动单相全桥逆变器便能产生目标双频(f1、f2)的输出信号，即输出端A和输出端B分别产生双频(f1、f2)的输出信号。如图1所示，逆变器产生的双频(f1、f2)波自动地通过传输通道I和传输通道II传输，其中传输通道I由发射端补偿电路I-线圈I-接收端补偿电路I-整流器I连接至负载I，传输通道II由发射端补偿电路II-线圈II-接收端补偿电路II-整流器II连接至负载II。
所述发射端补偿电路和接收端补偿电路中均设有可调电容模块，可调电容模块成对出现，每个传输频率在原边和副边各有一个，可调电容模块通过调节自身电容值将所在电路谐振频率调制至相匹配的发射线圈的发射频率，可使所在通道工作在谐振频率，以使该通道达到最大传输效率和最大传输功率需求。所述电路谐振频率
Figure BDA0002935210100000061
f0由所在电路本身固有的线圈电感值L和可调电容容值C决定。当不同频率的负载投切***时，双频/多频发生器模块可根据负载频率特性发出对应频率的信号。加有可调电容模块的补偿电路，可在不同频率的负载切换条件下，通过调节可调电容的电容值使得***始终工作在谐振频率(谐振频率＝负载频率＝目标发射频率),从而使***达到最大传输效率和最大传输功率的需求。
如图4所示，所述可调电容模块包括MOSFET即场效应晶体管S1、场效应晶体管S2和并联电容器Ca，场效应晶体管S1的漏极与场效应晶体管S2的漏极相连接，且场效应晶体管S1的源极与场效应晶体管S2的源极之间并联有并联电容器Ca，调节可调电容的控制信号分别控制场效应晶体管S1与场效应晶体管S2的栅极开闭；在发射端补偿电路中，场效应晶体管S1的源极与发射线圈相连接，场效应晶体管S2的源极与单相全桥逆变器的输出端相连接，在副边的接收端补偿电路中，场效应晶体管S1的源极与整流电路的输入端相连接，场效应晶体管S2的源极与接收线圈的输出端相连接。所述的场效应晶体管S1的栅极与隔离驱动器相连接，场效应晶体管S2的栅极与低边驱动器相连接，隔离驱动器和低边驱动器均与脉冲宽度调制信号相连接。隔离驱动器还与场效应晶体管S2的漏极相连接，低边驱动器与地相连接，脉冲宽度调制信号PWM通过隔离驱动器和低边驱动器来控制场效应晶体管S1和场效应晶体管S2的导通与关断，从而改变TC1和TC2间的等效电容，达到电容可调的目的。
所述场效应晶体管S1和场效应晶体管S2上均反并联有一个体二极管，它们是场效应晶体管的寄生二极管，两个二极管的正极分别与场效应晶体管S1、场效应晶体管S2的源极相连接，两个二极管的负极分别与场效应晶体管S1、场效应晶体管S2的漏极相连接。并联电容器Ca的电荷可以通过场效应晶体管S1和场效应晶体管S2控制，因此，可以调制等效电容。控制波形如图5所示，具体控制描述如下：
当单相全桥逆变器输出的正弦电流IAB作用于可调电容模块时，电流过零点在角0、π、2π…等处；对于电流从A流向B的正半周，场效应晶体管S2被打开以防止体二极管载流；场效应晶体管S1的门控信号在2nπ(n∈N)处同步，在2nπ+α关闭场效应晶体管S1，其中π/2<α<π。然后电流通过并联电容器Ca从A流到B并使并联电容器Ca充电直到角度(2n+1)π。在(2n+1)π角处，电流反转方向，且并联电容器Ca开始放电。在并联电容器Ca完全放电后，负电流通过场效应晶体管S1的体二极管从B流向A。在下一个同步点(2n+2)π，场效应晶体管S1导通，然后在角度(2n+2)π+α处再次关闭。场效应晶体管S2控制负半周，除同步点在(2n+1)π外，其余步骤相同。由于场效应晶体管S1和场效应晶体管S2的源极在导通点的电位高于漏极，这导致体二极管将漏极对源电压钳制在-0.6V，并且由于在导通点的并联电容器Ca电压始终为零，所以场效应晶体管S1和场效应晶体管S2在ZVS(零电压切换)条件下同时打开和关闭。并联电容器Ca的电压幅值可以设计得很低，因此可以使用低电压等级的MOSFET，其导通电阻通常也很低；因此，可调电容模块中的功率损耗最小。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可调频率的单逆变器输出多频正弦波装置，其特征在于，包括直流电源、单相全桥逆变器、频率发生器模块及至少两个发射端补偿电路、发射线圈、接收线圈、接收端补偿电路、整流器和负载，直流电源与单相全桥逆变器相连接，频率发生器模块与单相全桥逆变器相连接，频率发生器模块产生目标频率的脉冲调制信号控制单相全桥逆变器将直流电转变为包含目标频率的交流电；单相全桥逆变器分别与发射端补偿电路相连接，发射端补偿电路将电路谐振频率调制至单相全桥逆变器的发射频率；各个发射端补偿电路与各自的发射线圈连接，发射线圈通过磁耦合谐振将能量传递至接收线圈接收，接收线圈将交流电传递给各自的接收端补偿电路，接收端补偿电路连接整流器，整流器连接负载，整流器将交流电进行整流并将交流电变为直流电并供给对应的负载。
2.根据权利要求1所述的可调频率的单逆变器输出多频正弦波装置，其特征在于，所述发射端补偿电路包括发射端补偿电路I和发射端补偿电路II，接收端补偿电路包括接收端补偿电路I和接收端补偿电路II，所述发射端补偿电路I与发射线圈I相连接，发射线圈I与接收线圈I相匹配，接收线圈I与接收端补偿电路I相连接，接收端补偿电路I与整流器I相连接，整流器I与负载I相连接；所述发射端补偿电路II与发射线圈II相连接，发射线圈II与接收线圈II相匹配，接收线圈II与接收端补偿电路II相连接，接收端补偿电路II与整流器II相连接，整流器II与负载II相连接；所述频率发生器模块为双频发生器模块。
3.根据权利要求2所述的可调频率的单逆变器输出多频正弦波装置，其特征在于，所述双频发生器模块包括两个正弦波产生器、一个高频三角波发生器、一个数字加法器、一个比较器和一个反相器，两个正弦波产生器均与数字加法器相连接，数字加法器和高频三角波发生器均与比较器相连接，比较器与反相器相连接，所述比较器的输出端得到两个控制信号，反相器的输出端得到两个控制信号，四个控制信号分别与单相全桥逆变器的功率开关管相连接。
4.根据权利要求3所述的可调频率的单逆变器输出多频正弦波装置，其特征在于，所述比较器的输出端分别输出控制信号G1和控制信号G4，反相器的输出端分别输出控制信号G2和控制信号G3；控制信号G1、G2、G3、G4分别与单相全桥逆变器的功率开关管Q1、Q2、Q3、Q4相连接，四个功率开关管Q1、Q2、Q3、Q4组成,H桥式电路，即功率开关管Q1和功率开关管Q2构成一个桥臂，功率开关管Q3和功率开关管Q4构成另一个桥臂，功率开关管Q1和功率开关管Q3为上桥臂，功率开关管Q2和功率开关管Q4为下桥臂；两个桥臂的中点分别为输出端A和输出端B，两个发射端补偿电路并接在输出端A和输出端B上；所述功率开关管Q1～Q4上都有反并联二极管。
5.根据权利要求1或4所述的可调频率的单逆变器输出多频正弦波装置，其特征在于，所述发射端补偿电路和接收端补偿电路中均设有可调电容模块，成对出现的2N个可调电容模块通过调节自身电容值将电路谐振频率分别调制至相匹配的N个发射线圈的发射频率；所述电路谐振频率
Figure FDA0002935210090000021
f0由各个电路本身固有的线圈电感值L和可调电容容值C决定。
6.根据权利要求5所述的可调频率的单逆变器输出多频正弦波装置，其特征在于，所述可调电容模块包括场效应晶体管S1、场效应晶体管S2和并联电容器Ca，场效应晶体管S1的漏极与场效应晶体管S2的漏极相连接，且场效应晶体管S1的源极与场效应晶体管S2的源极之间并联有并联电容器Ca，调节可调电容的控制信号分别控制场效应晶体管S1与场效应晶体管S2的栅极开闭；所述的场效应晶体管S1的栅极与隔离驱动器相连接，场效应晶体管S2的栅极与低边驱动器相连接，隔离驱动器和低边驱动器均与脉冲宽度调制信号相连接。
7.根据权利要求5所述的可调频率的单逆变器输出多频正弦波装置，其特征在于，所述发射线圈通过磁耦合谐振将能量传递至接收线圈，接收线圈将交流电传递给接收端补偿电路，发射端补偿电路和接收端补偿电路的可调电容模块使其工作在***谐振频率，以达到最大传输效率和最大传输功率需求，并且可以根据不同的技术标准调整相应的传输频率。
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