CN104993732B - 一种用于无线电能传输的高倍频逆变电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于无线电能传输的高倍频逆变电路，其通过多桥臂移相的方式，生成具有一定相位差的方波功率信号并进行叠加输出，基于傅立叶级数分析，实现了逆变输出频率为开关频率的n倍(n为奇数)的效果，从而解决了传统桥式逆变电路的输出频率受限于开关频率的问题。本发明基于频域的傅里叶分解和叠加原理实现高倍频输出，采用了不同的拓扑连接，保证了在任意倍频数n下驱动脉冲占空比均为1/2，避免了现有高频逆变电路在倍频数n很大时，驱动脉冲占空比过小而导致开关管无法正常输出脉冲的问题。
Description
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种用于无线电能传输的高倍频逆变电路。
背景技术
随着现代信息技术的飞速发展，越来越多的移动设备、便携设备和植入设备在人们生活中获得广泛应用，这些产品包括在消费电子领域的手机、笔记本电脑，医疗仪器领域的植入式医疗设备以及电动汽车等。然而，这些可移动设备的供电问题是当今需要解决的重要问题之一。传统的有线输电方式存在电线摩擦、老化等问题，影响用电设备的寿命和用电安全。此外，有线方式不能满足一些特殊应用场合的需要，如植入式医疗设备的充电。无线电能传输方式可以很好地解决这些问题，由于其利用电磁场耦合进行无线输电，不仅省去电线和插座，还使得电能利用更加灵活、宽广。
无线电能传输主要有三种基本方式：电磁感应耦合方式、非辐射磁共振耦合方式、微波辐射方式。微波辐射方式，在功率较大时会对人体和生物造成伤害而具有很大的局限性。因此，电磁感应耦合方式和非辐射磁共振耦合方式是无线电能传输的主要实现方式。这两种方式在具体实现时，均需要将直流电源通过高频逆变器转化为高频交流电，再经由无线电能发射电路进行电能发射。
高频逆变电路产生的交流电频率，决定无线电能传输的品质因数。通常，频率越高，品质因数越大，传输效率越高。传统桥式逆变电路受限于功率半导体器件的开关频率，输出交流电频率等于开关频率。而开关频率受限于开关损耗和半导体器件的物理极限，不能任意增大。所以，无线电能传输的品质因数和效率受到工作频率无法大幅提高的限制。
公开号为CN102857134A的中国专利提出了一种无线电能传输装置的高频逆变电源及其倍频控制方法，该高频逆变电源由n个逆变单元并联构成，每套逆变单元的工作频率相同，且每套逆变单元内的驱动脉冲占空比小于或者等于1/(2n)，n个逆变单元依次工作1/n个开关周期，各个逆变单元驱动脉冲依次滞后360/n度，以此实现高频逆变电源的输出电压频率或电流频率为每个逆变单元的n倍，实现n倍频逆变器。但这种方法有一定局限性：由于其控制方法要求每套逆变单元内的驱动脉冲占空比小于或者等于1/(2n)，导致随着倍频数n的增大，脉宽时间减小，当脉宽时间减小到等于或小于逆变单元内开关器件的开通和关断时间时，逆变单元将无法正常输出脉冲，该方法将失效；这种控制方法对占空比的要求的根本原因是，采用了每个逆变单元并联的拓扑结构，将n个逆变单元的输出取或运算，在时域上对脉冲进行移相拼接，实现总的倍频输出。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种用于无线电能传输的高倍频逆变电路，能够在开关频率不变的情况下，输出开关频率n倍频的交流电，避免了现有高频逆变电路在倍频数n很大时，驱动脉冲占空比过小而导致开关管无法正常输出脉冲的问题。
一种用于无线电能传输的高倍频逆变电路，包括：
两个幅值相等的直流电压源E1～E2；其中，直流电压源E1的负极与直流电压源E2的正极相连并接地，直流电压源E1的正极与直流电压源E2的负极之间产生直流电压；
n组相互并联的开关桥臂；所述的开关桥臂由两个开关管串联组成，其利用所述的直流电压通过开关动作产生方波功率信号，所述的两个开关管串联后连接于直流电压源E1正极与直流电压源E2负极之间；n为预设的目标倍频数且为奇数；
控制电路，用于为n组开关桥臂对应提供n对开关驱动信号；
由n个电感组成的电感器，用于将n路方波功率信号进行叠加倍频，产生一路n倍频的方波功率信号；所述电感的一端与对应开关桥臂中两个开关管的串联接点相连，各电感的另一端共连并作为电感器的公共接点；
谐振电容器，用于与所述的电感器进行串联谐振，并对n倍频的方波功率信号中的基波分量进行提取及放大，得到一路n倍频的正弦功率信号用以通过耦合无线传输；所述谐振电容器的一端与电感器的公共接点相连，另一端接地。
进一步地，所述的控制电路由DSP和驱动模块组成，所述的驱动模块将DSP产生的n对开关驱动信号进行功率放大后，对应提供给n组开关桥臂。
进一步地，所述的开关驱动信号为占空比为1/2的方波信号。
进一步地，相邻两对开关驱动信号的相位差为2π/n，每对开关驱动信号内的两个开关驱动信号的相位差为π。
进一步地，所述开关桥臂产生的方波功率信号的占空比为1/2，相邻两个开关桥臂产生的方波功率信号的相位差为2π/n。
进一步地，所述的谐振电容器与电感器发生串联谐振，其谐振频率为n倍频的方波功率信号的基波频率，等效谐振电阻为线路以及电感的内阻，谐振电感值为L/n，L为电感的感值。
本发明叠加倍频的原理如下：
开关桥臂中点产生的n个占空比为1/2的方波功率信号，相位相差2π/n，n为奇数；n个方波功率信号的傅立叶级数形式为：
其中：xn为第n个方波功率信号，E为方波幅值，即直流电压源幅值，ω0为方波功率信号的基波角频率；
由于每路开关桥臂的输出电感器均要与其他n-1个并联电感器进行分压，每路开关桥臂中点的方波功率信号作用于电感器公共接点的有效方波幅值衰减为原幅值的1/n，表示为：
其中：xn’为第n个开关桥臂作用于电感器公共接点的有效方波幅值；
设所有n路开关桥臂作用于电感器公共接点处有效方波的叠加和为y，根据傅立叶级数形式可知，叠加和y仅保留了有效方波的n的奇数倍次谐波，消掉了其他次谐波，得到n倍频的方波功率信号，表示为：
n倍频的方波功率信号作用于谐振电容器上，由于谐振电容器与n个并联的电感在nω0频率点发生串联谐振，谐振电容两端放大并提取出n倍频方波功率信号的基波分量，即5倍频的正弦功率信号，表示为：
其中：uco为谐振电容两端电压，A为串联谐振的电压放大系数，C为谐振电容值，R为串联谐振的等效谐振电阻。
本发明的有益技术效果在于：
(1)本发明通过多桥臂移相的方式，生成具有一定相位差的方波功率信号并进行叠加输出，基于傅立叶级数分析，实现了逆变输出频率为开关频率的n倍(n为奇数)的效果，从而解决了传统桥式逆变电路的输出频率受限于开关频率的问题。
(2)与现有高频逆变电路相比，本发明基于频域的傅里叶分解和叠加原理实现高倍频输出，采用了不同的拓扑连接，保证了在任意倍频数n下驱动脉冲占空比均为1/2，避免了现有高频逆变电路在倍频数n很大时，驱动脉冲占空比过小而导致开关管无法正常输出脉冲的问题。
(3)本发明应用于无线电能传输的输入端时，由于其输出交流频率可以大大提高，因而可以增大无线电能传输系统的品质因数，进而提高电能传输效率；同时，也可在实现既定品质因数的条件下，减小无线电能传输系统中的电感器、电容器的体积。
(4)本发明由于采用多路桥臂实现方波功率信号的生成，在输出功率一定时，降低了每路桥臂NMOS管的电流应力，因此可以选择容量更小的NMOS管，降低对功率半导体器件的要求；同时，相同的功率分配到多路桥臂，避免了热损耗的集中，使得散热更加均匀。
附图说明
图1为本发明高倍频逆变电路的结构示意图。
图2为五倍频逆变电路的电路原理图。
图3(a)～图3(e)分别为五倍频逆变电路中5个桥臂的中点电压波形示意图。
图3(f)为五倍频逆变电路的输出电压波形示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1和图2所示，本发明用于无线电能传输的高倍频逆变电路，包括两个幅值为E的直流电压源、控制电路101、n个开关桥臂102、n个电感器103、谐振电容器104；其中，n为目标倍频数，要求n为奇数，本实例中n取5。
两个幅值为E的直流电压源是串联连接，第一电压源的负极接第二电压源的正极，并选择二者的连接点作为参考地；本实例中，电压源幅值E为25V。
控制电路101由DSP和驱动电路组成；本实例中DSP采用TI公司型号为TMS320F28035的芯片，驱动电路采用International Rectifier公司的IRF2110芯片；DSP用于提供驱动信号，且提供的驱动信号的对数等于目标倍频数5；5对驱动信号均为方波信号，占空比均为1/2，且相邻对的驱动信号相位相差2π/5，每对驱动信号内的两个信号相位相差π；驱动电路与DSP相连，用于将DSP提供的5对驱动信号进行放大后输出。
5个开关桥臂102与控制电路101相连；本实例中，每个开关桥臂均由上NMOS管和下NMOS管构成；其中，上、下NMOS管的栅极分别与控制电路提供的成对驱动信号相连，上NMOS管的漏极与第一电压源的正极相连，下NMOS管的源极与第二电压源的负极相连，上NMOS管的源极与下NMOS管的漏极相连，并以此连接点作为开关桥臂输出端，输出方波功率信号；5个开关桥臂102，在5对驱动信号的控制下，开关桥臂中点输出5个占空比为1/2的方波功率信号，且相邻信号之间相位相差2π/5；本实例中，开关桥臂产生的方波功率信号的频率f0＝200kHz。
5个电感器103与各个开关桥臂中点相连，用于将开关桥臂产生的5个方波功率信号进行叠加倍频，在电感器的公共点处输出5倍频的方波功率信号；本实例中，电感器的电感量L＝1.55uH。
谐振电容器104与5个电感器103的公共点以及电源地相连，用于与5个并联的电感器进行串联谐振，将5倍频的方波功率信号的基波分量进行提取和放大，得到5倍频的正弦功率信号；谐振频率为5倍频方波功率信号的基波频率，串联谐振的等效谐振电阻为线路和电感器的内阻；本实例中，谐振电容器的电容值C＝82nF，等效谐振电阻R＝0.4Ω。
无线电能发射电路105与谐振电容器104的两端相连，将谐振电容两端放大后的5倍频的正弦功率信号进行无线电能发射。
无线电能接收电路106与无线电能发射电路105存在磁耦合，用于无线电能接收。
本实施方式中，开关桥臂中点产生的5个占空比为1/2的方波功率信号，相位相差2π/5，根据傅立叶级数展开，5个方波功率信号的傅立叶级数形式为：
其中：x1～x5为第1～5个方波功率信号，E为方波幅值，即直流电压源幅值，ω0为方波功率信号的基波角频率，ω0＝2πf0。
由于每路开关桥臂的输出电感器均要与其他4个并联电感器进行分压，每路的方波功率信号作用于电感器公共点的有效方波幅值衰减为原幅值的1/5，表示为：
其中：x1’～x5’为第1～5个开关桥臂作用于电感器公共点的有效方波幅值。
设所有5路开关桥臂作用于电感器公共点处有效方波叠加为y，根据傅立叶级数形式可知，叠加和y仅保留了有效方波的5的奇数倍次谐波，消掉了其他次谐波，得到5倍频的方波功率信号，表示为：
5倍频的方波功率信号作用于谐振电容器上，由于谐振电容器与5个并联的电感器在5ω0频率点发生串联谐振，在谐振电容两端放大并提取出5倍频方波功率信号的基波分量，即5倍频的正弦功率信号，表示为：
其中：uco为谐振电容两端电压，A为串联谐振的电压放大系数，C为谐振电容值，R为串联谐振的等效谐振电阻；本实例中，A＝4.85。
基于上述实施方法，可以搭建5倍频的逆变电路。逆变电路各桥臂中点的输出电压以及叠加倍频后的输出电压如图3所示，其中，叠加倍频后的输出电压为谐振电容器两端的电压。
上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于无线电能传输的高倍频逆变电路，其特征在于，包括：
两个幅值相等的直流电压源E1～E2；其中，直流电压源E1的负极与直流电压源E2的正极相连并接地，直流电压源E1的正极与直流电压源E2的负极之间产生直流电压；
n组相互并联的开关桥臂；所述的开关桥臂由两个开关管串联组成，其利用所述的直流电压通过开关动作产生方波功率信号，所述的两个开关管串联后连接于直流电压源E1正极与直流电压源E2负极之间；n为预设的目标倍频数且为奇数；
控制电路，用于为n组开关桥臂对应提供n对开关驱动信号；
由n个电感组成的电感器，用于将n路方波功率信号进行叠加倍频，产生一路n倍频的方波功率信号；所述电感的一端与对应开关桥臂中两个开关管的串联接点相连，各电感的另一端共连并作为电感器的公共接点；
谐振电容器，用于与所述的电感器进行串联谐振，并对n倍频的方波功率信号中的基波分量进行提取及放大，得到一路n倍频的正弦功率信号用以通过耦合无线传输；所述谐振电容器的一端与电感器的公共接点相连，另一端接地。
2.根据权利要求1所述的高倍频逆变电路，其特征在于：所述的控制电路由DSP和驱动模块组成，所述的驱动模块将DSP产生的n对开关驱动信号进行功率放大后，对应提供给n组开关桥臂。
3.根据权利要求1所述的高倍频逆变电路，其特征在于：所述的开关驱动信号为占空比为1/2的方波信号。
4.根据权利要求1所述的高倍频逆变电路，其特征在于：相邻两对开关驱动信号的相位差为2π/n，每对开关驱动信号内的两个开关驱动信号的相位差为π。
5.根据权利要求1所述的高倍频逆变电路，其特征在于：所述每组开关桥臂产生的方波功率信号的占空比为1/2，相邻两个开关桥臂产生的方波功率信号的相位差为2π/n。
6.根据权利要求1所述的高倍频逆变电路，其特征在于：所述的谐振电容器与电感器发生串联谐振，其谐振频率为n倍频的方波功率信号的基波频率，等效谐振电阻为线路以及电感的内阻，谐振电感值为L/n，L为电感的感值。
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