CN104734517A - 基于磁耦合无线电能传输的直流变压器电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于磁耦合无线电能传输的直流变压器电路，其特征在于，包括：DC-AC逆变模块，用于将直流转变成高频交流；无线电能传输模块，用于高频交流状态下的无线电能传输及变压，同时完成输入输出隔离与变压任务；整流滤波模块，用于交流转变成直流并滤除高频分量；直流输入的正负极与DC-AC逆变模块的输入端连接，DC-AC逆变模块的输出端与无线电能传输变换模块的输入端连接；无线电能传输变换模块的输出端与整流滤波模块的输入端连接，整流滤波模块得到最终输出的直流电压。本发明采用强磁耦合无线电能传输技术，实现了无线电能传输下的直流变压器任务；电路结构新颖、可靠、实用。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输变换技术领域与电力电子领域，具体涉及一种基于磁耦合无线电能传输的直流变压器电路。
背景技术
直流变换器分为输出可以调节的直流变换器和输出不调节的直流变压器两种类型，直流变压器可以实现功率的传输和电压的提升，在高压直流输电系统中广泛应用，而在新能源领域，如光伏、燃料电池、超级电容等场合也有诸多应用，同时直流-直流变压器技术还可用于进行直流电压采样及直流能量传输与阻抗变换电路。
直流-直流变压器一般采用电力电子方案解决，其中完成隔离变压任务的一般采用基于电磁感应原理的高频变压器，即采用先直流逆变得到交流，交流通过高频变压器变换完成变压比及电气隔离任务，最后再整流得到直流，即常见的DC/AC/DC方案。目前直流-直流变压器主要用于高压直流输电系统及新能源领域，如光伏、燃料电池、超级电容等场合有广泛应用。
目前，直流-直流变压器基本采用电力电子拓扑控制方案解决。其中有采用推挽正激直流变压器工作方案的，如张方华、严仰光，“直流变压器的研究与实现”，电工技术学报，第20卷第7期，2007.7，PP:76-80。也有人采用全桥结构拓扑方案实现直流变压器，如张先进、陈杰、龚春英，“直流变压器研究”，高电压技术，第35卷第5期，2009年5月，PP:76-80。
强磁耦合无线电能传输变换技术是一项极有前途的高新技术，有着极为广泛应用前景，对于采用强磁耦合无线电能传输变换方案一样可以得到直流-直流变压器，不同于常规电力电子方案通过电磁感应原理的变压器的隔离方式，它通过原、副边线圈的高频谐振耦合原理进行能量传输，可以实现原边与副边线圈无磁芯方案的物理隔离而同时实现无线电能传递，在工业应用中可使设计更灵活。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于强磁耦合无线电能传输变换的直流变压器电路，用强磁耦合无线电能传输变换部分替代高频变压器，为采用无线电能传输变换技术实现直流-直流变压器提供一种全新的思路与解决方案。
一种基于磁耦合无线电能传输的直流变压器电路，包括：
DC-AC逆变模块，用于将直流转变成高频交流；
无线电能传输模块，用于高频交流状态下的无线电能传输及变压，同时完成输入输出隔离与变压任务；
整流滤波模块，用于交流转变成直流并滤除高频分量；
直流输入的正负极与DC-AC逆变模块的输入端连接，DC-AC逆变模块的输出端与无线电能传输变换模块的输入端连接；无线电能传输变换模块的输出端与整流滤波模块的输入端连接，整流滤波模块得到最终输出的直流电压。
进一步地，如上所述的基于磁耦合无线电能传输的直流变压器电路，所述DC-AC逆变模块包括场效晶体管Q1、场效晶体管Q2、电容C1、电容C2；
直流输入端的正极连接电容C1和场效晶体管Q1的漏极，直流输入端的负极连接电容C2和场效晶体管Q2的源极；场效晶体管Q1、场效晶体管Q2串联形成一个桥臂，电容C1与C2串联构成另一桥臂，此两桥臂并联；场效晶体管Q1、场效晶体管Q2的公共端Inv1及电容C1与C2的公共端Inv2为分别该模块的输出端；场效晶体管Q1与场效晶体管Q2的栅极分别与驱动端连接。
进一步地，如上所述的基于磁耦合无线电能传输的直流变压器电路，所述无线电能传输模块包括：线圈Coil1、电容C3、线圈Coil2、电容C4，所述线圈Coil1与电容C3串联后与DC-AC逆变模块的输出连接，组成无线电能传输变换模块的原边，即输入端；所述线圈Coil2与电容C4并联，组成无线电能传输变换模块的副边，即输出端。
进一步地，如上所述的基于磁耦合无线电能传输的直流变压器电路，所述整流滤波模块全桥整流和LC滤波电流，所述全桥整流电路的输入端与无线电能传输变换模块的输出端连接，全桥整流电路的输出端连接LC滤波电路后输出。
本发明有益效果：
本发明采用磁耦合无线电能传输变换技术实现直流-直流变压器；能进行无线电能传输，使应用场合更为灵活，该电路结构简单、可靠、实用。本发明直流-直流变压器在高压直流输电系统、新能源应用领域，在直流电压隔离采样、直流能量无线传输及无线方案直流阻抗变换电路以及某些特殊实验等应用领域均可广泛应用。
附图说明
图1为本发明基于磁耦合无线电能传输的直流变压器电路图；
图2为本发明DC-AC逆变模块电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
图1为本发明基于磁耦合无线电能传输的直流变压器电路图，如图1所示，本发明一种基于强磁耦合无线电能传输变换的直流变压器电路包括：
DC-AC逆变模块1，用于将直流转变成高频交流；
无线电能传输变换模块2，用于高频交流状态下的无线电能传输，同时完成输入输出隔离与变压任务；
整流滤波模块3，用于交流转变成直流并滤除高频分量。
本发明电路的DC-AC逆变模块的输入端连接直流输入的正负极；DC-AC逆变模块的输出端连接无线电能传输变换模块的输入端；无线电能传输变换模块的输出端连接整流滤波模块的输入端；整流滤波模块得到最终输出的直流电压。
本发明电路的DC-AC逆变模块采用半桥逆变方案，所述模块电路包括场效晶体管Q1、场效晶体管Q2，电容C1、电容C2，直流输入端正极连接电容C1和场效晶体管Q1的漏极，直流输入端负极连接电容C2和场效晶体管Q2的源极；场效晶体管Q1、场效晶体管Q2串联形成一个桥臂，电容C1与电容C2串联构成另一桥臂，此两桥臂并联；场效晶体管Q1、场效晶体管Q2的公共端Inv1及电容C1与电容C2的公共端Inv2为该模块的输出端。场效晶体管Q1与场效晶体管Q2的驱动端--栅极通过外部驱动联络。
本发明电路的无线电能传输变换模块包括线圈Coil1、电容C3，线圈Coil2、电容C4，线圈Coil1与电容C3串联，与DC-AC逆变模块的输出连接，组成无线电能传输变换模块的原边，即输入端；线圈Coil2与电容C4并联，组成无线电能传输变换模块的副边，即输出端；线圈Coil1和线圈Coil2之间采用强磁耦合无线电能传输方式耦合。
考虑到系统工作于高频工况，场效晶体管Q1与场效晶体管Q2均采用金属-氧化物半导体场效应晶体管且型号相同；电容C1～C4均采用高频电容，有利于高频工况下工作，其中C1与C2型号相同，以保证正常工作。
所述线圈Coil1与电容C3构成谐振电路；G1与G2端均输入PWM驱动，使线圈Coil1与电容C3形成高频振荡，为强磁耦合进行无线电能传输变换提供条件。
本发明电路的整流滤波模块采用全桥整流和LC滤波方案：由于其副边谐振电路输出为谐振高频交流，需要由D1-D4构成的全桥整流电路进行整流得到直流再经线圈Coil、电容C进行LC滤波进行输出。D1～D4均采用超快恢复二极管；电感L采用高频电感，电容C采用高频金属薄膜电容或是高频金属薄膜电容加电解电容构成的电容组合，具体实施方案根据实际需求及成本进行设计。
DC-AC逆变模块：In+与In-为直流输入端的正极和负极，C1与C2为同型号的高频电容，形成一个桥臂，Q1与Q2为同型号的Mosfet管，形成另一个桥臂，Inv1与Inv2为此逆变模块的输出端。通过驱动电路G1、G2控制Q1、Q2的开通与关断，进而控制此模块的输出，由于是直流-直流变压器，只进行变比为定值的电压变换，并考虑到死区，对Q1、Q2进行占空比均为0.5的互补控制方案，Inv1与Inv2作为输出端连接无线电能传输变换模块的输入。
Coil1为原边线圈，C3为原边谐振电容，原边采用串联方案，C3外置，以便于设计调整谐振频率。Coil2为副边线圈，C4为副边谐振电容，原边采用并联方案，C4依然外置，便于设计时调整谐振频率。利用谐振强磁耦合的无线电能传输具备电压变换能力，获得电压变换，而其具体变比大小取决于具体相关设计，一般说来为升压变换方式。所述整流滤波模块采用全桥整流与LC滤波方式。
所述无线电能传输模块的副边输出电压与原边输入电压之间的变比为定值，具体大小由实际需求所决定。
本发明采用强磁耦合无线电能传输技术，实现了无线电能传输下的直流变压器任务；电路结构新颖、可靠、实用。本发明可用高压直流输电系统及新能源领域，如光伏、燃料电池、超级电容等场合可广泛应用，同时此技术还可用于进行直流电压隔离采样及直流能量无线传输下的阻抗变换电路。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种基于磁耦合无线电能传输的直流变压器电路，其特征在于，包括：
DC-AC逆变模块，用于将直流转变成高频交流；
无线电能传输模块，用于高频交流状态下的无线电能传输及变压，同时完成输入输出隔离与变压任务；
整流滤波模块，用于交流转变成直流并滤除高频分量；
直流输入的正负极与DC-AC逆变模块的输入端连接，DC-AC逆变模块的输出端与无线电能传输变换模块的输入端连接；无线电能传输变换模块的输出端与整流滤波模块的输入端连接，整流滤波模块得到最终输出的直流电压。
2.根据权利要求1所述的基于磁耦合无线电能传输的直流变压器电路，其特征在于，所述DC-AC逆变模块包括场效晶体管Q1、场效晶体管Q2、电容C1、电容C2；
直流输入端的正极连接电容C1和场效晶体管Q1的漏极，直流输入端的负极连接电容C2和场效晶体管Q2的源极；场效晶体管Q1、场效晶体管Q2串联形成一个桥臂，电容C1与C2串联构成另一桥臂，此两桥臂并联；场效晶体管Q1、场效晶体管Q2的公共端Inv1及电容C1与C2的公共端Inv2为分别该模块的输出端；场效晶体管Q1与场效晶体管Q2的栅极分别与驱动端连接。
3.根据权利了要求1所述的基于磁耦合无线电能传输的直流变压器电路，其特征在于，所述无线电能传输模块包括：线圈Coil1、电容C3、线圈Coil2、电容C4，所述线圈Coil1与电容C3串联后与DC-AC逆变模块的输出连接，组成无线电能传输变换模块的原边，即输入端；所述线圈Coil2与电容C4并联，组成无线电能传输变换模块的副边，即输出端。
4.根据权利了要求1所述的基于磁耦合无线电能传输的直流变压器电路，其特征在于，所述整流滤波模块全桥整流和LC滤波电流，所述全桥整流电路的输入端与无线电能传输变换模块的输出端连接，全桥整流电路的输出端连接LC滤波电路后输出。
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