CN209313531U - 一种电感-电容混合式无线充电pcb线圈结构 - Google Patents

一种电感-电容混合式无线充电pcb线圈结构 Download PDF

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付永升
雷志勇
李翰山
雷鸣
雷秉山
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Abstract

本实用新型涉及一种电感‑电容混合式无线充电PCB线圈结构，其原理是利用IPT在能量传输过程中电流在线圈上产生的高电压降，将其加载在CPT一端的金属板上，并利用其高电压的特性实现在CPT上能量传输；开关管S1至S4构成全桥逆变电路，电感Lp与Ls为反向耦合电感，其与谐振补偿电容Cp与Cs共同形成电磁谐振式无线充电的S‑S谐振拓扑；P1至P4为金属板，构成电容式无线充电***的耦合电容能量传输模块；本实用新型以克服了现有技术存在的电能传输部分成本高且充电参数受线圈环境影响比较大的问题。

Description

一种电感-电容混合式无线充电PCB线圈结构
技术领域
本实用新型涉及无线电力传输技术领域，具体涉及一种电感-电容混合式无线充电PCB线圈结构。
背景技术
无线电力传输(Wireless Power Transfer,WPT)，可将能量从输入源传输到输出负载无需直接物理电线或导体，解决了传统的问题电缆连接，如磨损，故障和复杂的结构等。其作为一个更方便、安全、环境适应能力强、占用空间资源小的电能供给技术，是大力发展纯电动汽车之后的必经之路。目前该技术已经熟练的应用在电子产品中，其主要有两种有效的方法实现WPT，感应式电能传输 (IPT)和电容性功率传输(CPT)。IPT多用于电磁谐振的方式，通过电磁谐振在接收端获得电能，其功率可达兆瓦级，存在的问题是：在发射和接收端的线圈上会产生漩涡电流损耗，电能传输部分成本高且充电参数受线圈环境影响比较大。CPT是利用电场实现电能的有效传输，存在的问题是：传输的功率等级较小且能量传输的距离近。
发明内容
本实用新型要提供一种电感-电容混合式无线充电PCB线圈结构，以克服现有技术存在的电能传输部分成本高且充电参数受线圈环境影响比较大的问题。
为了达到本实用新型的目的，本实用新型提供的技术方案是：一种电感-电容混合式无线充电PCB线圈结构，包括全桥逆变电路、能量传输模块和全桥整流电路，所述全桥逆变电路由开关管S1至开关管S4构成，其特征在于：所述开关管S1与开关管S2间引出谐振电容Cp，通过与耦合电感Lp串联并连接至开关管S3与S4；所述全桥整流电路的其中一个整流桥臂与副边的谐振电容Cs相连，且谐振电容Cs与耦合电感Ls串联再与另一个整流桥臂相连；
所述能量传输模块包括两块PCB板，每个PCB板的顶层设置有耦合线圈，底层有大小相同的两个金属板，两个金属板分别与耦合线圈的两个端口直接相连；所述两个PCB板的顶层相对放置，相对放置时PCB顶层的两个线圈构成耦合线圈，底层的两组金属板构成耦合电容Cp和Cs。
与现有技术相比，本实用新型的优点是：
1、本实用新型利用双层PCB结构同时实现耦合电容与耦合电感，电容式无线充电利用电感式无线充电在线圈上产生的高电压降来形成电容极板上的电压，使***具有较高的容偏力，即：充电参数受线圈间的相对位移影响较小，***充电状态稳定。
2、本设计结构紧凑，成本较低：本实用新型充分利用PCB板的结构实现了电感-电容混合无线充电线圈及电容板的设计，在小功率无线充电***中具有极高的应用价值。
3、由于电容式无线充电借用了电感式线圈上高电压降，其两者可以相互补偿，可以保证在大的偏移情况下保证充电功率及效率稳定。充电状态稳定，充电参数受线圈环境影响比较小。
附图说明
图1是本实用新型的设计原理图；
图2是本实用新型的等效电路图
图3是耦合电感与耦合电容的PCB板结构示意图；
图4是本实用新型的结构原理示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
参见图1，本实用新型的设计原理是：利用IPT在能量传输过程中电流在线圈上产生的高电压降，将其加载在CPT一端的金属板上，并利用其高电压的特性实现在CPT上能量传输。开关管S1至S4构成全桥逆变电路，电感Lp与Ls 为反向耦合电感，其与谐振补偿电容Cp与Cs共同形成电磁谐振式无线充电的 S-S谐振拓扑。P1至P4为金属板，构成电容式无线充电***的耦合电容能量传输模块。VBus、Cf、VB分别表示输入电压、输出稳压电容及电池电压。金属板 P1与P2构成电容CM1，金属板P3与P4构成电容CM2，其共同组成电容式无线充电***结构。
参见图2，由耦合电感与谐振补偿电容组成的IPT其谐振频率fr为：
CPT的串联等效电容CM可表示为：
其中由耦合电感传输的功率为：
由电容耦合所传输的功率为：
由以上两个公式可知电感-电容混合式无线充电***中IPT与CPT传输的功率比可表示为：
式中M为耦合线圈的耦合电感值。
参见图3和图4，本实用新型具体电路连接采用串-串(S-S)结构。本实用新型由原边与副边电路构成，原边即电能的发射端以全桥逆变器为基础包括补偿谐振电容、耦合电感原边线圈、耦合电容一个极板。其中补偿谐振电容与耦合线圈组成串联谐振网络。副边即电能的接受端，其由全桥整流电路、耦合电感副边线圈、耦合电容的另一个极板以及副边补偿谐振电容构成。副边谐振补偿电容与副边线圈构成串联谐振。
本实用新型提供的一种电感-电容混合式无线充电PCB线圈结构，包括全桥逆变电路、能量传输模块和全桥整流电路。所说全桥逆变电路由开关管S1至开关管S4构成，开关管S1与开关管S2间引出谐振电容Cp，通过与耦合电感Lp 串联并连接至开关管S3与S4；所说全桥整流电路的其中一个整流桥臂与副边的谐振电容Cs相连，且谐振电容Cs与耦合电感Ls串联再与另一个整流桥臂相连。所说的能量传输模块包括两块PCB板，每个PCB板的顶层设置有耦合线圈，底层有大小相同的两个金属板，两个金属板分别与耦合线圈的两个端口直接相连；所述两个PCB板的顶层相对放置，相对放置时PCB顶层的两个线圈构成耦合线圈，底层的两组金属板构成耦合电容Cp和Cs。放置于发射端的PCB 板一端与原边的谐振补偿电容并连接至全桥逆变的一个桥臂上，剩余一端与全桥逆变的另一个桥臂连接。放置于副边的PCB板一端通过副边谐振补偿电容连接至整流桥的一个桥臂，剩余一端与整流桥的另一个桥臂相连。
当两个PCB板(双层结构)以一定的距离位置放置时，相对设置的顶层的两个线圈构成耦合线圈，同时四块金属板P1至P4构成两个耦合电容CM1与CM2。
以上应用了具体个例对本实用新型进行阐述，只是用于帮助理解本实用新型，并不用以限制本实用新型。对于本实用新型所属技术领域的技术人员，依据本实用新型的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (1)

1.一种电感-电容混合式无线充电PCB线圈结构，包括全桥逆变电路、能量传输模块和全桥整流电路，所述全桥逆变电路由开关管S1至开关管S4构成，其特征在于：所述开关管S1与开关管S2间引出谐振电容Cp，通过与耦合电感Lp串联并连接至开关管S3与S4;所述全桥整流电路的其中一个整流桥臂与副边的谐振电容Cs相连，且谐振电容Cs与耦合电感Ls串联再与另一个整流桥臂相连；
所述能量传输模块包括两块PCB板，每个PCB板的顶层设置有耦合线圈，底层有大小相同的两个金属板，两个金属板分别与耦合线圈的两个端口直接相连；所述两个PCB板的顶层相对放置，相对放置时PCB顶层的两个线圈构成耦合线圈，底层的两组金属板构成耦合电容Cp和Cs。
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