CN104079076B - 采用变频软开关驱动技术的非接触供电系统及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种采用变频软开关驱动技术的非接触供电系统及其驱动方法。所述系统包括初级回路和次级回路，初级回路传送能量给次级回路，初级侧控制装置与输入电压检测装置、输入电流检测装置CT_i、驱动电路、无线收发模块相连，输入电压检测装置、输入电流检测装置CT_i分别检测直流电源<i>U_DC</i>的端电压和电流，初级侧控制装置将控制信号转换为控制第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃、第四开关管S₄的驱动电压；次级侧反馈控制装置与负载电压检测装置和负载电流检测装置CT_O、无线收发模块相连，负载电压检测装置和负载电流检测装置CT_O分别检测负载<i>R_L</i>的端电压和电流。本发明的系统始终处于软开关工作状态，工作效率较高。

Description

采用变频软开关驱动技术的非接触供电系统及其驱动方法

技术领域

本发明属于非接触供电领域，具体涉及一种变频软开关技术。

背景技术

非接触供电系统由两个相互独立的封闭系统构成，可用在粉尘、潮湿和腐蚀性强的环境下。

在以前的文献中，有些学者提出在非接触系统中采用软开关的方案。但采用的方法通常是间接判断开关管是否工作在ZVS或ZCS状态，这些方法的反应速度较慢。在非接触能量传输过程中，初级电感线圈L _P 向次级电感线圈L _S 传递能量的效率也很重要，这个效率受开关管工作频率的影响，有些条件下非接触能量传输较低，不能保证电路总效率最优化。

国内外已经有不少关于非接触供电的专利，尚未见到有关直接根据效率值η动态调整开关管的驱动频率的论文发表和专利公开。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提出一种采用变频软开关驱动技术的非接触供电系统及其驱动方法，能够有效提高非接触供电系统的供电效率和可靠性。

本发明的技术方案是以下述方式实现的：一种采用变频软开关驱动技术的非接触供电系统，包括初级回路和次级回路，初级回路传送能量给次级回路，初级侧控制装置与输入电压检测装置、输入电流检测装置CT_i、驱动电路、无线收发模块相连，输入电压检测装置、输入电流检测装置CT_i分别检测直流电源U _DC 的端电压和电流，初级侧控制装置通过驱动电路将控制信号转换为控制第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃、第四开关管S₄的导通和关断的驱动电压；次级侧反馈控制装置与负载电压检测装置和负载电流检测装置CT_O、无线收发模块相连，负载电压检测装置和负载电流检测装置CT_O分别检测负载R _L 的端电压和电流。

所述初级回路包括直流电源U _DC ，直流电源U _DC 与电容C _r 、电感L _r 相连，电容C _r 与全桥逆变电路相连，全桥逆变电路与补偿电容C _P 、初级电感线圈L _P 相连；全桥逆变电路由第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃、第四开关管S₄组成；所述次级回路包括次级电感线圈L _S ，次级电感线圈L _S 与补偿电容C _s 相连，补偿电容C _s 与整流电路相连，整流电路与滤波电容C ₁ 、滤波电感L ₁ 相连；滤波电容C ₁ 与负载R _L 相连。

一种采用变频软开关驱动技术的非接触供电系统的驱动方法，是按照下述方式实现的：通过输入电压检测装置和输入电流检测装置CT _i 检测直流电源U _DC 的端口电压U _DC 和电流i _Lr ，得到电路的输入功率P _in =U _DC ×i _Lr ；通过负载电压检测装置和负载电流检测装置CT_O得到负载电压U _O ，负载电流检测装置CT_O得到负载电流I _O ，负载R _L 两端的电压电流均为直流，消耗的功率P _O =U _O ×I _O ；则电路总效率η=P _O /P _in ；由初级侧控制装置1根据电路总效率η动态调整开关管S₁~S₄的驱动频率，以跟踪效率值的峰值点，当效率值达到极大值，则开关管S₁~S₄在软开关状态下完成切换，电路中元器件的总损耗达到最小。

根据实际设计的供电电路，通过计算可近似得到其初级电感线圈L _P 和次级电感线圈L _S 的耦合系数。当电路处于谐振软开关状态时，将不同耦合系数条件下的谐振频率保存在静态存储器的查找表中，利用其掉电不丢失信息的特性，实现记忆功能。电路正常工作时，通过实时计算耦合系数，根据不同当前频率与耦合系数，通过查找表得到谐振频率值。将开关管S₁~S₄的驱动频率调整到查找表的记录值，使电路快速跟踪谐振状态，实现开关频率的自适应调节。本发明中非接触供电系统始终处于软开关工作状态，工作效率较高。

附图说明

图1是本发明的电路原理图。

图2是本发明的谐振直流环等效电路图。

图3是谐振直流环电路的仿真结果。

图4是软件流程图。

图5是初级电感线圈L _P 两端的工作电压与电流波形图。

图6是全桥逆变电路的输出电压u ₁ (t)和电流i ₁ (t)波形。

具体实施方式

如图1所示，一种非接触供电系统，包括初级回路2和次级回路12，初级回路2传送能量给次级回路12，初级侧控制装置1与输入电压检测装置3、输入电流检测装置CT_i、驱动电路4、无线收发模块5相连，输入电压检测装置3、输入电流检测装置CT_i分别检测直流电源U _DC 的端电压和电流，初级侧控制装置1通过驱动电路4将控制信号转换为驱动开关管S₁~S₄导通和关断的电压；次级侧反馈控制装置11与负载电压检测装置13和负载电流检测装置CT_O、无线收发模块15相连，负载电压检测装置13和负载电流检测装置CT_O分别检测负载R _L 的端电压和电流。

所述初级回路2包括直流电源U _DC ，直流电源U _DC 与电容C _r 、电感L _r 相连，电容C _r 与全桥逆变电路7相连，全桥逆变电路7与补偿电容C _P 、初级电感线圈L _P 相连；全桥逆变电路7由第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃、第四开关管S₄组成；所述次级回路12包括次级电感线圈L _S ，次级电感线圈L _S 与补偿电容C _s 相连，补偿电容C _s 与整流电路14相连，整流电路14与滤波电容C ₁ 、滤波电感L ₁ 相连；滤波电容C ₁ 与负载R _L 相连。

所述变频软开关驱动方法是按照下述方式实现的：根据输入电压检测装置3和输入电流检测装置CT _i 检测直流电源U _DC 的端口电压U _DC 和电流i _Lr ，得到电路的输入功率P _in =U _DC ×i _Lr ；根据负载电压检测装置13和负载电流检测装置CT_O得到负载电压U _O ，负载电流检测装置CT_O得到负载电流I _O ，负载R _L 两端的电压电流均为直流，消耗的功率P _O =U _O ×I _O ；则电路总效率η=P _O /P _in ；由初级侧控制装置1根据电路总效率η动态调整开关管S₁~S₄的驱动频率，以跟踪效率值的峰值点，当效率值达到极大值，则开关管S₁~S₄在软开关状态下完成切换，电路中所有元器件的总损耗达到最小。

如图2所示，从全桥逆变电路7的输出端a、输出端b点向右看的电路可以等效成一个阻抗Z _EQ ，这个等效阻抗Z _EQ 的电抗部分为零，则等效成一个纯电阻，全桥逆变电路7输出到非接触变压器的电压u ₁ (t)和电流i ₁ (t)同相。要使这个等效阻抗Z _EQ 为纯电阻，则需要输出端a、输出端b点向右看的电路处于谐振状态，其谐振频率设为f ₁ ，当负载或其他参数变化时，f ₁ 的值会随之改变。

非接触能量传输通过初级电感线圈L _P 向次级电感线圈L _S 以磁场形式传递能量。

要使非接触能量传输效率达到最高，还要使初级电感线圈L _P （含补偿电容C _P ）和次级电感线圈L _S （含补偿电容C _S ）也处于谐振状态，其谐振频率设为f ₂ 。此时，初级电感线圈L _P 两端的工作电压与电流同相。当初级电感线圈L _P 和次级电感线圈L _S 的相对位置或其他参数发生变化时，其谐振频率f ₂ 会随之改变。

可以看出，要使电路的总效率达到最高，先要设定初级电感线圈L _P 和次级电感线圈L _S 在某个相对位置条件下的谐振频率f ₂ 等于额定负载下的f ₁ ；再采用自适应方法调整开关管S₁~S₄的驱动频率，以使电路的工作频率尽量同时接近f ₁ 和f ₂ ，判断其接近的方法是看效率是否达到峰值。这时可以近似称为双谐振状态，处于该状态的开关管S₁~S₄的驱动频率称为谐振频率f _r 。

用谐振直流环电路使开关管S₁~S₄同时在零电压软开关（ZVS）状态下完成切换；使其同时处于（或接近于）零电压和零电流双谐振的软开关状态。可以看出，即使有时为了接近谐振频率f ₂ ，偏离了谐振频率f ₁ ，开关管S₁~S₄仍然可以在零电压软开关（ZVS）状态下完成切换，确保开关管S₁~S₄的开关损耗较小且非接触能量传输效率较高。

本发明的核心思想是使电路的总效率最高，而不是仅追求开关管S₁~S₄的开关损耗最小。

本发明中，先由负载电压检测装置13检测到负载电压U _O ，负载电流检测装置CT_O得到负载电流I _O 。次级侧反馈控制装置11将负载R _L 的电压和电流信号传递给无线收发模块15，无线收发模块15再将这些信号传递给无线收发模块5，无线收发模块5再将这些信号传递给初级侧控制装置1。由于负载R _L 两端的电压为直流，初级侧控制装置1据此计算负载功率P _O =U _O ×I _O 。

初级侧控制装置1根据负载R _L 的电压（或功率）值调整开关管S₁~S₄的占空比，使非接触电路的负载维持所需的电压或功率。

从非接触供电系统的输入电压检测装置3和输入电流检测装置CT_i检测的直流电源U _DC 端口的电压U _DC 、电流信号i _Lr ，得到电路的输入功率P _in =U _DC ×i _Lr ，则电路总效率η=P _O /P _in 。

需要指出的是，直流电源U _DC 端口的电压U _DC 为直流，每次计算前只需测量一次测量；而电流信号i _Lr 是脉动直流，每次计算前需测量多个值再取平均值得到，推导过程如下：

输入电流i _Lr (t)可以用傅立叶公式分解得到：

(1)

电流i _Lr (t)的有效值为基波和各次谐波频率分量有效值的平方和：

(2)

根据正交性质，除基波之外，任意次谐波电流和直流电压产生的有功功率为零，则输入有功功率：

(3)

其中I _Lr,h 为i _Lr (t)的各次谐波分量有效值，I _Lr,0 为i _Lr (t)的基波分量。一个周期内i _Lr (t)的平均值既是I _Lr,0 。开关管的频率为35~50KHz，电感L _r 两端的电压的频率为开关管频率的一倍，既70~100KHz，根据奈奎斯特抽样定理，测量电流需要每个交流周期最少采样2个点，为了简化取样规律，与控制开关管S₁~S₄的时间序列同步，每个开关频率均匀采样4个点。

谐振直流环由谐振电感L _r 和电容C _r 和等效的开关管T_eq组成，其中开关管T_eq由电路中的S₁~S₄等效得到(只有S₁、S₃同时导通或S₂、S₄同时导通才能使u _Cr =0V，相当于开关管T_eq导通)。其中，u _Cr 是电容C _r 两端的电压。采用谐振直流环电路使开关管S₁~S₄在零电压软开关（ZVS）状态下完成切换。

当开关管S₁~S₄的驱动频率等于谐振频率f ₁ 且满足谐振直流环工作条件时，四个开关管S₁~S₄的电流、电压同时为零，电路处于零电压（ZVS）和零电流（ZCS）双谐振软开关状态，开关管S₁~S₄切换损耗达到最小。

由于采用的是非接触变压器，初级电感线圈L _P 和次级电感线圈L _S 的耦合系数k会随着相对位置、外部干扰等因素的变化而变化，当耦合系数k、负载变化时，谐振频率f ₂ 也会变化，这时需要不断调整开关管S₁~S₄的驱动频率以使以尽量同时接近f ₁ 和f ₂ 。

要实现人工智能控制，首先要得到耦合系数k。

（4）

其中，M为初级电感线圈L _P 和次级电感线圈L _S 的互感。耦合系数k可以通过严谨的数学公式计算得到，对于批量生产的电路却很难应用。本发明并不苛求耦合系数k的绝对数值的准确性，只要能够根据相同的电路参数判断出耦合系数的变化趋势，以便比较不同电路参数条件下的耦合系数孰大孰小即可。

一旦电路组装完成，则参数完全相同（同样负载、同样耦合系数、同样输入电压等）的条件下，其谐振频率固定不变。

由于非接触供电系统的硬件参数固定不变，则电路工作时变动的参数主要是负载、耦合系数、当前频率、占空比、电流、电压等。假设当前频率f _t 不变，初级电感线圈L _P 和次级电感线圈L _S 的耦合系数k可由等式（1.2）近似得到：

k=jP _O /(aηU _DC ² )（5）

其中，a为开关管S₁~S₄的占空比，j被设定为一个常数。由此得到当电路的基本参数（比如：直流电源U _DC 的电压、负载功率P _O ）在一定范围内变化时的近似耦合系数k，为了近似证明等式（1.2）的实用性，给出以下理由：当其它参数不变时，负载功率P _O 越大，耦合系数k越大；同理，当其它参数不变时，占空比a越大，耦合系数k越小；当其它参数不变时，电路总效率η越高，耦合系数k越小；直流电源U _DC ² 越大，耦合系数k越小。

当电路处于谐振软开关状态时，将不同当前频率f _t 、不同耦合系数条件下得到的谐振频率f _r 以查找表的形式存储在静态存储器(NonvolatileSRAM)中，利用静态存储器的掉电不丢失特性，实现永久记忆功能。通过实时计算耦合系数并调整驱动频率，以适应耦合系数不断变化的非接触供电系统。在下次开机时先计算耦合系数，再将开关管S₁~S₄的驱动频率调整到查找表的记录值，使电路快速进入谐振状态，实现人工智能控制。

这种自动寻优的工作方式将自适应控制和人工智能结合起来，可以定义为非接触供电的自学习工作模式。当记录结果越详细，表格设计的越完善，则电路的自我调节与适应性能更优。

静态存储器又称为非易失性静态存储器(NonvolatileSRAM)，选用DS1230W型，其容量为32k×8bit。

由于每个不同的非接触供电电路具有特定的谐振频率，本发明的变频软开关驱动方法也可以在其它谐振频率范围内使用。

Claims (3)

1.一种采用变频软开关驱动技术的非接触供电系统，其特征在于包括初级回路（2）和次级回路（12），初级回路（2）传送能量给次级回路（12），所述初级回路（2）包括依次连接的直流电源U _DC、谐振直流环电路（6）、全桥逆变电路（7）和初级电感线圈L _P，所述次级回路（12）包括依次连接的次级电感线圈L _S、整流滤波电路（14）和负载R _L；初级侧控制装置（1）与输入电压检测装置（3）、输入电流检测装置CT_i、驱动电路（4）、无线收发模块Ⅰ（5）相连，输入电压检测装置（3）、输入电流检测装置CT_i分别检测直流电源U _DC的端电压U _DC和电流i _Lr，初级侧控制装置（1）通过驱动电路（4）将控制信号转换为控制第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃、第四开关管S₄的导通和关断的驱动电压；次级侧反馈控制装置（11）与负载电压检测装置（13）和负载电流检测装置CT_O、无线收发模块Ⅱ（15）相连，负载电压检测装置（13）和负载电流检测装置CT_O分别检测负载R _L的端电压U _O和电流I _O；所述初级侧控制装置（1）通过无线收发模块Ⅰ（5）和无线收发模块Ⅱ（15）接收负载R _L的端电压U _O和电流I _O；所述初级侧控制装置（1）根据电路总效率η=P_O/P_in=（U _O×I _O）/（U _DC×i _Lr）动态调整开关管S₁~S₄的驱动频率。

2.根据权利要求1所述的采用变频软开关驱动技术的非接触供电系统，其特征在于，初级回路（2）包括直流电源U _DC，直流电源U _DC与电容C _r、电感L _r相连，电容C _r与全桥逆变电路（7）相连，全桥逆变电路（7）与补偿电容C _P、初级电感线圈L _P相连；全桥逆变电路（7）由第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃、第四开关管S₄组成；所述次级回路（12）包括次级电感线圈L _S，次级电感线圈L _S与补偿电容C _s相连，补偿电容C _s与整流电路（14）相连，整流电路（14）与滤波电容C ₁、滤波电感L ₁相连；滤波电容C ₁与负载R _L相连。

3.一种采用变频软开关驱动技术的非接触供电系统的驱动方法，其特征在于，通过输入电压检测装置（3）和输入电流检测装置CT_i检测直流电源U _DC的端口电压U _DC和电流i _Lr，得到电路的输入功率P _in=U _DC×i _Lr；通过负载电压检测装置（13）和负载电流检测装置CT_O得到负载电压U _O，负载电流检测装置CT_O得到负载电流I _O，负载R _L两端的电压电流均为直流，消耗的功率P _O=U _O×I _O；次级侧反馈控制装置（11）通过无线收发模块Ⅰ（5）和无线收发模块Ⅱ（15）将消耗功率P _O传送至初级侧控制装置（1）；初级侧控制装置（1）计算电路总效率η=P_O/P_in；由初级侧控制装置（1）根据电路总效率η动态调整开关管S₁~S₄的驱动频率，以跟踪效率值的峰值点，当效率值达到极大值，则开关管S₁~S₄在软开关状态下完成切换，电路中元器件的总损耗达到最小；所述初级侧控制装置（1）根据电路总效率η动态调整开关管S₁~S₄的驱动频率的方法是：计算初级电感线圈L_P和次级电感线圈L_S的耦合系数k：k=jP _O/(aηU _DC ²)，其中，a为开关管S₁~S₄的占空比，j为常数；将不同当前频率、不同耦合系数k条件下得到的谐振频率以查找表的形式存储在初级侧控制装置（1）中；根据当前频率与耦合系数，初级侧控制装置（1）通过查找表得到谐振频率值；利用驱动电路（4）将开关管S₁~S₄的驱动频率调整到查找表的记录值，使电路开机时快速进入谐振状态，再根据电路总效率η的反馈情况微调开关管S₁~S₄的驱动频率使电路获得最大效率。