CN103580527B - 环流控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环流控制方法和装置，该方法包括：对逆变器中的环流进行检测；根据在每一次开关器件切换的时刻检测到的环流的参数，确定对开关器件进行频率补偿的方向；根据确定的补偿方向，对开关器件的开关频率进行补偿。本发明通过对逆变器中的环流进行检测并根据检测的结果动态补偿开关器件的开关频率，使其与谐振频率一致，能够以简单的方式最大程度上减小环流，实现ZVS。

Description

环流控制方法和装置

技术领域

本发明涉及电路检测领域，并且特别地，涉及一种逆变器的环流控制方法和装置。

背景技术

感应耦合电能传输(InductiveCoupledPowerTransfer，简称为ICPT)技术是一种通过电磁耦合以非接触式方式向负载传递能量的技术。

图1是根据相关技术的感应耦合电能传输系统原理框图。如图1所示，感应耦合电能传输过程为：初级电路将工频电整流滤波后在初级线圈中产生高频电流，拾取电路通过拾取机构在初级线圈附近的变化磁场中拾取能量，经过功率调节器为负载供电。

其中，初级电路的高频逆变部分主要是将直流电变化为高频交流电并提供给初级线圈，以便在初级线圈周围产生高频磁场。初级电路的高频逆变部分例如可以采用负载并联谐振型逆变器。负载并联谐振型逆变器按照主电路的形式不同，可分为半桥式逆变器、推挽式逆变器和全桥式逆变器。下面以负载并联谐振型全桥逆变器为例进行说明。

负载并联谐振型全桥逆变电路通常包括电流源、全桥逆变器以及谐振电路。具体而言，全桥逆变器例如可以由两对或更多对开关元件构成，并且谐振电路例如可以由电感和电容构成。

通常情况下，采用ICPT技术的系统对负载并联谐振型全桥逆变器的控制有以下两点要求：(1)上、下桥臂各有一个开关器件必须导通，以此保证电流通过，并防止大的过电压的出现；(2)开关器件必须在谐振电容两端电压的过零点进行切换(ZeroVoltageSwitching，简称为ZVS)，否则在开关器件的切换时刻谐振电容会被短路，导致在逆变器中出现尖峰电流(环流)。

电流型ICPT系统的特点是负载通过拾取电路获得能量，拾取电路通过与初级线圈耦合拾取能量，最终负载以改变初级线圈等效阻抗的形式影响初级电路。实际上，作为一种无线电能传输系统，其负载往往具有很大的随机性，负载的变化会引起系统谐振频率的变化。

逆变器中的环流主要是开关器件在谐振电压非零点切换引起的，谐振频率的变化以及开关器件关断延时则是导致开关器件在非零点切换的主要因素。因此，需要采取措施使开关频率跟随谐振频率的变化，并且对开关器件关断延时进行适当的补偿，这样就能保证开关器件在谐振电压过零点切换，即实现ZVS，最大程度的减小环流。

对于谐振频率可变的ICPT系统，目前已经有人提出调节开关器件的开关频率使其跟随谐振电压过零点，即变频ZVS控制。但是，采用调节开关频率使其跟随谐振电压过零点(变频ZVS控制)需采取措施使开关频率跟随谐振频率的变化，且对开关器件关断延时进行适当的补偿。解决关断延时主要采取的措施是在控制电路中加入相位超前校正装置，使输出信号超前于输入信号，然后再对调节后的信号进行处理。该方案虽然对硬件要求不高，但是这种方案难以确定超前相位角，而且通常的超前校正装置难以对相位实现动态补偿。

另外，对于谐振频率可变的ICPT系统，可以采用动态调节电路参数使其谐振频率与固定的开关频率一致的方式实现ZVS。这样，就需要要在电路中加入磁放大器、可控电感或电容，但是在电路中加上高性能的磁放大器、可控电感或电容是非常昂贵的，而且会增加系统的体积。

针对相关技术中难以控制(或称为抑制)逆变器中的环流的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中难以控制(抑制)逆变器中的环流的问题，本发明提出一种环流控制方法和装置，能够以简单的方式准确补偿开关器件的开关频率以使之与谐振频率一致，从而有效控制环流。

本发明的技术方案是这样实现的：

根据本发明的一个方面，提供了一种环流控制方法，该控制方法包括：

对逆变器中的环流进行检测；

根据在每一次开关器件切换的时刻检测到的环流的参数，确定对开关器件进行频率补偿的方向；

根据确定的补偿方向，对开关器件的开关频率进行补偿。

其中，对开关器件的开关频率进行补偿包括：

以预定步长改变开关器件的开关频率，其中，在每一次改变开关器件的开关频率之后，根据本次改变后检测到的逆变器的环流的参数确定是否需要进一步对开关器件进行频率补偿以及继续进行频率补偿的方向。

并且，检测到的环流的参数包括环流的电流值和/或环流的方向。

此外，在每一次开关器件切换的时刻，如果对逆变器进行环流检测的结果为环流的正向电流与反向电流均增大，则确定对开关器件进行频率补偿的方向为减小开关器件的开关频率。

另外，在每一次开关器件切换的时刻，如果对逆变器进行环流检测的结果为仅环流的正向电流或反向电流增大，则确定对开关器件进行频率补偿的方向为增大开关器件的开关频率。

而且，根据在每一次开关器件切换的时刻检测到的环流的参数，确定对开关器件进行频率补偿的方向包括：

通过双路比较器对检测到的环流的正向电流与反向电流进行分别比较；

如果经由比较器进行双路比较后得到的脉冲信号显示环流的正向电流和反向电流均增大，则确定对开关器件进行频率补偿的方向为减小开关器件的开关频率；

如果经由比较器进行双路比较后得到脉冲信号显示环流只有单向电流增大，则确定对开关器件进行频率补偿的方向为增大开关器件的开关频率。

优选地，逆变器是负载并联谐振型全桥逆变器。

优选地，开关器件是开关管。

根据本发明的另一个方面，提供了一种环流控制装置，该控制装置包括：

检测模块，用于对逆变器中的环流进行检测；

确定模块，用于根据检测到的环流的参数，确定对开关器件进行频率补偿的方向；

补偿模块，用于根据确定的补偿方向，对开关器件的开关频率进行补偿。

其中，补偿模块用于以预定步长改变开关器件的开关频率，其中，在每一次改变开关器件的开关频率之后，检测模块检测本次改变后逆变器的环流，并且，确定模块用于根据本次改变后检测到的逆变器的环流的参数确定是否需要进一步对开关器件进行频率补偿以及继续进行频率补偿的方向。

并且，在每一次开关器件切换的时刻，如果对逆变器进行环流检测的结果为正向电流与反向电流均增大，则确定模块确定对开关器件进行频率补偿的方向为减小开关器件的开关频率；在每一次开关器件切换的时刻，如果对逆变器进行环流检测的结果为仅环流的正向电流或反向电流增大，则确定模块确定对开关器件进行频率补偿的方向为增大开关器件的开关频率。

此外，在每一次开关器件切换的时刻，检测模块包括双路比较器，双路比较器用于对检测到的环流的正向电流与反向电流进行分别比较；

并且，如果经由比较器进行双路比较后得到的脉冲信号显示环流正向电流和反向电流均增大，则确定模块确定对开关器件进行频率补偿的方向为减小开关器件的开关频率；

如果经由比较器进行双路比较后得到脉冲信号显示环流只有单向电流增大，则确定模块确定对开关器件进行频率补偿的方向为增大开关器件的开关频率。

本发明通过对逆变器中的环流进行检测并根据检测的结果动态补偿(调整)开关器件的开关频率，使其与谐振频率一致，能够以简单的方式最大程度上减小环流，实现ZVS。

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是根据相关技术的感应耦合电能传输系统原理框图；

图2是根据本发明实施例的环流控制方法的流程图；

图3是根据本发明实施例的环流控制方法所应用的负载并联谐振型全桥逆变电路原理图；

图4a和4b是理想状态下谐振频率变化而开关频率不变时谐振电容电压和开关器件电流仿真波形图；

图5a和图5b是实际系统中谐振频率变化，开关频率不变时谐振电容电压和开关器件电流波形图；

图6是根据本发明实施例的环流控制方法对初级电路实现环流检测的原理示意图；

图7a和图7b是谐振频率不同于开关频率时开关器件环流波形图；

图8是根据本发明实施例的环流控制方法的一个示例的示意图；

图9是根据本发明实施例的环流控制方法的具体处理实例的流程图；

图10是根据本发明实施例的环流控制装置的框图。

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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的实施例，提供了一种环流控制方法。

如图2所示，根据本发明实施例的环流控制方法包括：

步骤S201，对逆变器中的环流进行检测；

步骤S203，根据在每一次开关器件(例如，可以是开关管)切换的时刻检测到的环流的参数，确定对开关器件进行频率补偿的方向；

步骤S205，根据确定的补偿方向，对开关器件的开关频率进行补偿。

其中，在对开关器件的开关频率进行补偿时，可以以预定步长(即，每次改变一预定的频率值)改变开关器件的开关频率，其中，在每一次改变开关器件的开关频率之后，根据本次改变后检测到的逆变器的环流的参数确定是否需要进一步对开关器件进行频率补偿以及继续进行频率补偿的方向。

其中，检测到的环流的参数包括环流的电流值和/或环流的方向。

并且，一方面，在每一次开关器件切换的时刻，如果对逆变器进行环流检测的结果为环流的正向电流与反向电流均增大，则确定对开关器件进行频率补偿的方向为减小开关器件的开关频率；另一方面，在每一次开关器件切换的时刻，如果对逆变器进行环流检测的结果为仅环流的正向电流或反向电流增大，则确定对开关器件进行频率补偿的方向为增大开关器件的开关频率。

另外，在每一次开关器件切换的时刻，根据检测到的环流的参数，可以通过比较器来根据检测到的环流的参数频率补偿方向。此时，可以通过双路比较器对检测到的环流的正向电流与反向电流进行分别比较；一方面，如果经由比较器进行双路比较后得到的脉冲信号显示环流正向电流和反向电流均增大，则确定对开关器件进行频率补偿的方向为减小开关器件的开关频率；另一方面，如果经由比较器进行双路比较后得到脉冲信号显示环流只有单向电流增大，则确定对开关器件进行频率补偿的方向为增大开关器件的开关频率。

优选地，逆变器是负载并联谐振型全桥逆变器。

优选地，开关器件是开关管。

下面将结合具体实例，描述本发明的技术方案。

根据本发明实施例的上述处理可以应用于多种ICPT系统，例如，可以用于负载并联谐振型全桥逆变电路，该电路系统的原理如图3所示。参见图3，示例性的负载并联谐振型全桥逆变电路包括四个由开关器件(在该示例中为开关管T₁、T₂、T₃和T₄)组成的桥臂，其中开关管T₁和T₄作为一对，开关管T₂和T₃作为一对。这里的开关管T₁、T₂、T₃和T₄例如可以是IGBT(绝缘栅双极性晶体管)。逆变电路还包括直流电压源V_dc、直流电感L_dc、初级线圈补偿电容C_P(即，谐振电容)以及初级线圈电感L_P，其中直流电压源V_dc与直流电感L_dc串联形成等效电流源，初级线圈补偿电容C_P与初级线圈电感L_P并联形成并联谐振电路。通过控制开关管对的交替导通，可以将直流电流变换成高频交流电流。

如上所述，在ICPT系统中，当谐振频率变化时，如果调节开关管的开关频率f使其跟随谐振频率f₀的变化，即保证f＝f₀，那么，开关管能够在谐振电容电压过零点切换，逆变器输出标准正弦波，开关管电流平稳。

当谐振频率增大或减小时，如果开关管的开关频率不变，则开关管会在谐振电容电压非过零点通断，谐振电容和电源被短路，初级电感在自身感应电动势作用下形成了附加电流，该电流在初级电感和开关管之间形成回路，且只在初级电感和开关管之间流动，即，出现环流。

图4a示出了谐振频率变化而开关频率不变时，在f＜f₀的情况下谐振电容电压和开关管电流仿真波形，图4b示出了谐振频率变化而开关频率不变时，在f＞f₀的情况下谐振电容电压和开关管电流仿真波形。

从图4a和4b可以看出，谐振频率大于或小于开关频率时，谐振电容的电压在过零点产生畸变，在开关管某一个固定的通断时刻，开关管中有很大的尖峰电流(环流)，其尖峰电流的方向是单一的。

以上关于谐振频率的变化对系统的影响以及图4a和图4b中谐振电容电压、开关管电流仿真波形的获得均是在假设系统中的元器件都为理想器件的情况下得到的。

而如图5a和5b所示，在实际系统中，通过对谐振频率、开关频率、流过开关管(以图3所示的开关管T₁为例)的尖峰电流三者之间的关系反复实验，发现当谐振频率大于或小于开关频率时，谐振电容电压在过零点均会产生畸变。如图5a所示，当谐振频率大于开关频率时，在开关管T₁某一个固定的通断时刻，流过开关管T₁的尖峰电流的方向是单一的。如图5b所示，当谐振频率小于开关频率时，流过开关管T₁的尖峰电流方向并不是单一的。

图6是根据本发明实施例的上述方法对初级电路实现环流检测的原理示意图。

如图6所示，基于环流检测实现ZVS的ICPT系统中控制电路部分主要由传感器、变送电路、微处理器以及驱动隔离四部分组成。其中传感器对初级电路中开关器件环流进行检测，变送电路将检测到的环流信号转换成微处理器可以接受的信号，微处理器接收变送后的信号并将其与控制规律比对，然后微处理器按照控制规律改变开关器件的开关频率，最后输出PWM信号来控制或者说驱动初级电路的开关器件。

图7a和图7b是谐振频率不同于开关频率时开关管环流波形图。如果微处理器接收到的信号如图7a所示(此时谐振频率大于开关频率)，即在开关管的通断时刻环流的方向具有单一性，则逐步增大开关频率，使其趋于谐振频率。如果微处理器接收到的信号如图7b所示(此时谐振频率小于开关频率)，即在开关管的通断时刻环流的方向具有双向性，则逐步减小开关频率，使其趋于谐振频率。当微处理器接收到的信号没有尖峰时，则不改变开关频率，以当前开关频率驱动控制开关器件。

为了控制(抑制)上述环流，根据本发明实施例的环流控制方法例如可以根据图8所示的方式来实现。

在图8中，输入为开关器件的环流电流，输出为由电流互感器互感出的开关器件环流电流信号，输出2为比较器将开关器件环流电流流经电阻而形成的电压信号与设定阈值相比较后得到的1、0信号，输出3为在微处理器中对所拾取的输出2的1、0信号进行控制并改变频率后输出的两路反相的开关管驱动信号(PWM信号)。

如图8所示，在电流互感器将开关器件的环流采集出来以后，通过两路比较器比较输出将电流信号转变成为脉冲信号并输入到控制器(例如微处理器)进行变频处理，最终控制器输出PWM信号以驱动逆变器的开关器件。

图9示出了根据本发明实施例的环流控制方法的具体处理实例的流程图。

如图9所示，系统最初运行在初始硬开关频率下，然后检查开关管T4(参见图3)的驱动波形是否出现下降沿，如果判定比较控制后的两路电流信号同时有下降沿，则减小开关频率(F)以进行补偿(F-Δf)，如果判定比较控制后的电路电流信号仅一个有下降沿，则增大开关频率以进行补偿(F+Δf)。其中，Δf即为改变开关器件频率的预定步长(频率值)，并且Δf可以为一个固定值，也可以按照一定规律变化(即，多次调整开关器件的开关频率时，频率调节的幅度可以是不同的)。

通过上述方案，就能够实时检测逆变器中环流，动态调节开关频率使其与谐振频率一致，实现ZVS，最大程度上减小环流。

根据本发明的实施例，提供了一种环流控制装置。

如图10所示，根据本发明实施例的包括：

检测模块1，用于对逆变器中的环流进行检测；

确定模块2，用于根据检测到的环流的参数，确定对开关器件进行频率补偿的方向；

补偿模块3，用于根据确定的补偿方向，对开关器件的开关频率进行补偿。

其中，补偿模块3用于以预定步长改变开关器件的开关频率，其中，在每一次改变开关器件的开关频率之后，检测模块1检测本次改变后逆变器的环流，并且，确定模块2用于根据本次改变后检测到的逆变器的环流的参数确定是否需要进一步对开关器件进行频率补偿以及继续进行频率补偿的方向。

其中，在每一次开关器件切换的时刻，如果对逆变器进行环流检测的结果为正向电流与反向电流均增大，则确定模块2确定对开关器件进行频率补偿的方向为减小开关器件的开关频率；如果对逆变器进行环流检测的结果为仅环流的正向电流或反向电流增大，则确定模块2确定对开关器件进行频率补偿的方向为增大开关器件的开关频率。

可选地，在每一次开关器件切换的时刻，检测模块1包括双路比较器，双路比较器用于对检测到的环流的正向电流与反向电流进行分别比较；

并且，如果经由比较器进行双路比较后得到的脉冲信号显示环流正向电流和反向电流均增大，则确定模块确定对开关器件进行频率补偿的方向为减小开关器件的开关频率；

如果经由比较器进行双路比较后得到的脉冲信号显示环流只有单向电流增大，则确定模块确定对开关器件进行频率补偿的方向为增大开关器件的开关频率。

本发明提出的实时检测逆变器中环流，动态调节开关频率以使其与谐振频率一致来实现ZVS的方法是基于微处理器的控制补偿方法，该方法硬件电路简单，是一种比较简单且可靠的解决方式。并且此方法可以实时的检测环流大小，一旦环流的大小超过一定的阈值，通过改变开关器件的开关频率使其与谐振频率一致，减小环流大小，使得开关器件在谐振电压的过零点切换，以动态的方式实现ZVS。

应当注意，尽管之前通过比较器进行环流检测并根据比较器输出的结果进行开关频率补偿，但是在实际应用中，还可以通过其他多种电流检测器件来检测环流，并且相应地根据这些器件的检测结果来的判断环流的参数，进而完成频率补偿。只要检测到的环流的参数能够反映出正向电流和反向电流均增大、或者检测结果为环流的方向为单一方向，就能够实现本发明的技术方案。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过检测环流并根据环流检测的结果动态补偿(调整)开关器件的开关频率以使其与谐振频率一致，能够以简单的方式最大程度上减小环流，从而实现ZVS。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (8)

1.一种环流控制方法，其特征在于，包括：

对逆变器中的环流进行检测；

根据在每一次开关器件切换的时刻检测到的环流的参数，确定对开关器件进行频率补偿的方向；

根据确定的补偿方向，对开关器件的开关频率进行补偿，

其中，检测到的所述环流的参数包括环流的电流值和/或环流的方向，并且在每一次开关器件切换的时刻，如果对逆变器进行环流检测的结果为环流的正向电流与反向电流均增大，则确定对开关器件进行频率补偿的方向为减小开关器件的开关频率；

如果对逆变器进行环流检测的结果为仅环流的正向电流或反向电流增大，则确定对开关器件进行频率补偿的方向为增大开关器件的开关频率。

2.根据权利要求1所述的环流控制方法，其特征在于，对开关器件的开关频率进行补偿包括：

以预定步长改变开关器件的开关频率，其中，在每一次改变开关器件的开关频率之后，根据本次改变后检测到的逆变器的环流的参数确定是否需要进一步对所述开关器件进行频率补偿以及继续进行频率补偿的方向。

3.根据权利要求2所述的环流控制方法，其特征在于，根据在每一次开关器件切换的时刻检测到的所述环流的参数，确定对开关器件进行频率补偿的方向包括：

通过双路比较器对检测到的环流的正向电流与反向电流进行分别比较。

4.根据权利要求1所述的环流控制方法，其特征在于，所述逆变器是负载并联谐振型全桥逆变器。

5.根据权利要求1所述的环流控制方法，其特征在于，所述开关器件是开关管。

6.一种环流控制装置，其特征在于，包括：

检测模块，用于对逆变器中的环流进行检测；

确定模块，用于根据检测到的环流的参数，确定对开关器件进行频率补偿的方向；

补偿模块，用于根据确定的补偿方向，对开关器件的开关频率进行补偿，

其中，在每一次开关器件切换的时刻，如果对逆变器进行环流检测的结果为正向电流与反向电流均增大，则所述确定模块确定对开关器件进行频率补偿的方向为减小开关器件的开关频率；如果对逆变器进行环流检测的结果为仅环流的正向电流或反向电流增大，则所述确定模块确定对开关器件进行频率补偿的方向为增大开关器件的开关频率。

7.根据权利要求6所述的环流控制装置，其特征在于，所述补偿模块用于以预定步长改变开关器件的开关频率，其中，在每一次改变开关器件的开关频率之后，所述检测模块检测本次改变后所述逆变器的环流，并且，所述确定模块用于根据本次改变后检测到的逆变器的环流的参数确定是否需要进一步对所述开关器件进行频率补偿以及继续进行频率补偿的方向。

8.根据权利要求6所述的环流控制装置，其特征在于，在每一次开关器件切换的时刻，所述检测模块包括双路比较器，所述双路比较器用于对检测到的环流的正向电流与反向电流进行分别比较。