CN105119391B - 一种高效率的电能发射端和无线电能传输装置 - Google Patents

Abstract

依据本发明的一种高效率的电能发射端和无线电能传输装置，通过软开关控制电路控制逆变电路中开关管的两端电压波形，使得在开关管关断期间，其漏源间的电压波形为一次基波和三次谐波的叠加波形，以使得开关管能够在零电压开通，减小开关功耗；同时本发明通过电流调节电路控制原边发射电流为恒定频率、恒定幅值的电流，以保证原边发射的能量不受耦合和负载的变化影响，提高系统的能量传输效率。本发明的无线电能传输系统能量传输效率高、安全可靠性好。

Description

一种高效率的电能发射端和无线电能传输装置

技术领域

本发明涉及电能传输领域，更具体的说，涉及一种高效率的电能发射端和无线电能传输装置。

背景技术

通常的无线电能传输装置主要包括电能发射端和电能接收端，两者通过电磁感应或磁共振原理实现能量的传输。其中，电能发射端包括有逆变器和发射线圈，逆变器接收直流电压产生交流电压，发射线圈接收交流电压产生频率为ω₀的交变磁场，电能接收端中的接收线圈耦合所述交变磁场，感生出频率为ω₀的交变电压V_sin(ω0)。一般来说，交变磁场的频率越低，电能传输的距离越短，因此，为了增加无线电能传输的距离，需要提高交变磁场的频率。而根据无线充电的相关标准的介绍，例如Qi和PMA无线充电标准，在电磁感应无线电能传输系统中，交变磁场的频率在100kHz-500kHz之间，电能传输距离通常在一个厘米以下；根据A4WP无线充电标准，在磁共振无线电能传输系统中，若交变磁场的频率为6.78MHz，则相应的电能传输距离可以达到几个厘米。

因此，为了提高传输距离，一般采用磁共振无线电能传输方式，并产生6.78MHz频率的交变磁场，相应的，逆变器中的开关器件需要工作在6.78MHz的频率。而当开关器件工作在6.78MHz时，开关器件上将产生非常大的开关损耗，极大地降低了开关寿命，为了降低损耗，通常需要采用软开关技术(ZVS)，以使得开关器件降低损耗。

而进一步的，采用半桥或者全桥等桥式结构的逆变电路，需要两个或者两个以上开关器件协同工作，但在6.78MHz这么高的工作频率下，很难精确控制多个开关管之间的死区时间，可能会出现同通或同断的误操作情况，从而降低了电路的安全可靠性。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种高效率的电能发射端和无线电能传输装置通过软开关控制电路实现逆变电路中开关管的零电压开通，减小开关功耗；同时控制原边发射电流的频率和幅值，以保证原边发射的能量不受耦合和负载的变化影响，提高系统的能量传输效率。

依据本发明的一种高效率的电能发射端，用以向与其隔离的电能接收端传输能量，所述电能发射端包括逆变电路、软开关控制电路、电流调节电路和原边发射部分，

所述逆变电路接收直流输入电源以输出具有预设频率的交流电压；

所述软开关控制电路连接在所述直流输入电源和所述逆变电路之间，以控制所述逆变电路中开关管的两功率端之间的电压；

所述电流调节电路接收所述逆变电路输出的交流电压，以产生恒定频率、恒定幅值的交变电流信号；

所述原边发射部分包括原边发射线圈，所述原边发射线圈用于接收所述交变电流信号，以产生交变磁场来向所述电能接收端传输能量；

其中，所述软开关控制电路控制所述逆变电路中开关管的两功率端之间的电压，以在所述开关管关断时间内，所述开关管的两功率端之间的电压波形为一次基波和三次谐波叠加的波形，使得在所述开关管导通时刻，所述开关管的两功率端之间的电压降至为零。

进一步的，所述逆变电路包括一个场效应晶体管，所述场效应晶体管通过一时钟信号控制其开关状态，当所述时钟信号为有效状态时，所述场效应晶体管导通，当所述时钟信号为无效状态时，所述场效应晶体管断开。

进一步的，所述软开关控制电路包括第一电感、第二电感、第一电容和第二电容，

所述第一电感连接在所述直流输入电源的一端和所述逆变电路中开关管的一个功率端之间；

所述第二电感和第一电容串联连接后与所述第一电感并联连接；

所述第二电容为所述场效应晶体管的寄生电容。

优选的，所述第一电感、第二电感和第一电容集成在一个模块中。

进一步的，所述软开关控制电路还包括第一电感、第二电感、第一电容和第三电容，

所述第一电感连接在所述直流输入电源的一端和所述逆变电路中开关管的一个功率端之间；

所述第二电感和第一电容串联连接后与所述第一电感并联连接；

所述第三电容并联在所述第一电感的两端。

优选的，所述第一电感、第二电感、第一电容和第三电容集成在一个模块中。

进一步的，所述软开关控制电路进一步还包括第四电容，

所述第四电容并联在所述晶体管的两功率端之间。

进一步的，所述电流调节电路包括由第三电感和第五电容组成的谐振电路，

所述第三电感的第一端连接所述逆变电路的正输出端，第二端接至所述原边发射线圈的第一端；

所述第五电容的第一端与所述第三电感的第二端连接，第二端接所述逆变电路的负输出端；

其中，所述第三电感和第五电容的谐振频率与所述预设频率一致，并且，所述第三电感和第五电容的公共连接点的信号作为所述交变电流信号。

优选的，所述电能发射部分还包括原边谐振电容，所述原边谐振电容和所述原边发射线圈的谐振频率为所述预设频率。

依据本发明的一种无线电能传输装置，包括隔离的电能发射端和电能接收端，

所述电能发射端为上述的电能发射端；

所述电能接收端包括副边接收线圈和整流滤波电路，所述副边接收线圈感应所述原边发射线圈产生的交变磁场，以获得相应的交变电压，所述整流滤波电路将所述交变电压转换为合适的直流电压供给输出负载。

依据上述的一种高效率的电能发射端和无线电能传输装置，通过软开关控制电路控制逆变电路中开关管的两端电压波形，使得在开关管关断期间，其漏源间的电压波形为一次基波和三次谐波的叠加波形，以使得开关管能够在零电压开通，减小开关功耗；同时本发明通过电流调节电路控制原边发射电流为恒定频率、恒定幅值的电流，以保证原边发射的能量不受耦合和负载的变化影响，提高系统的能量传输效率。再次，本发明的逆变电路使用单个开关器件即能产生高频的交变电压，元器件少，成本低；最后本发明采用的软开关控制电路可以降低第一电容和第二电容上的电压应力，对电容的耐压要求低，进一步降低电路成本，且提高了系统的安全可靠性。

附图说明

图1所示为依据本发明的无线电能传输装置的第一实施例的电路框图；

图2所示为依据第一实施例的第一工作波形图；

图3所示为依据第一实施例的第二工作波形图；

图4所示为依据本发明的无线电能传输装置的第二实施例的电路框图；

图5所示为依据本发明的无线电能传输装置的第三实施例的电路框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

参考图1所示为依据本发明的无线电能传输装置的第一实施例的电路框图；如图1所示，所述无线电能传输装置包括相互隔离的电能发射端和电能接收端，在本实施例中，所述电能发射端包括逆变电路1、软开关控制电路2、电流调节电路3和原边发射部分，其中，所述原边发射部分包括有原边发射线圈Ls、谐振电容Cs和变压器的原边绕组，其中所述原边发射线圈和谐振电容构成原边谐振电路。所述电能接收端包括副边接收线圈Lsc和整流滤波电路(未示出)，所述副边接收线圈感应所述原边发射线圈产生的交变磁场，以获得相应的交变电压，所述整流滤波电路将所述交变电压转换为合适的直流电压供给输出负载。

具体的，逆变电路1接收直流输入电源Vdc以输出具有预设频率的交流电压，本实施例中，逆变电路包括一个场效应晶体管Q(以N型管为例)，所述场效应晶体管通过一时钟信号控制其开关状态，当所述时钟信号为有效状态(高电平)时，所述场效应晶体管导通，当所述时钟信号为无效状态(低电平)时，所述场效应晶体管断开，所述时钟信号的占空比可根据需要设置，本实施例中为0.5。其中，所述预设频率与所述无线电能传输装置的系统工作频率一致，并且，上述的谐振电容Cs和原边发射线圈Ls的谐振频率也为所述预设频率，以使得无线电能传输装置的原副边能够很好的耦合，传输效率高。

软开关控制电路2连接在所述直流输入电源和逆变电路1之间，以控制所述逆变电路中开关管的两功率端之间的电压，具体的，所述软开关控制电路2控制所述晶体管Q的漏源间的电压，以在所述晶体管Q关断时间内，晶体管Q的两功率端之间的电压波形为一次基波和三次谐波叠加的波形，从而在晶体管Q导通时刻，晶体管Q的两功率端之间的电压降至为零。这里，软开关控制电路2具体包括第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1和第二电容，所述第一电感L1连接在所述直流输入电源的一端和所述逆变电路中开关管的一个功率端之间，这里，第一电感L1连接在直流输入电源的正端和晶体管Q的漏极之间，本领域技术人员可知，第一电感L1还可以连接在直流输入电源的负端和晶体管Q的源极之间。所述第二电感L2和第一电容C1串联连接后与所述第一电感L1并联连接。在本实施例中，所述第二电容为所述晶体管的寄生电容Coss，所述寄生电容Coss连接在所述晶体管的漏源极之间。其中，所述第一电感、第二电感和第一电容可以集成在一个模块中，以作为一个独立的无源模块连接到电路中，该无源模块只有一个输入端口和输出端口，方便连接。例如该无源模块可以作为一个整体连接到直流输入电源的正极和晶体管Q的漏极之间或是作为一个整体连接到直流输入电源的负极和晶体管Q的源极之间。

参考图2和图3所示的工作波形图，软开关控制电路2通过设置第一电感L1、第二电感L2和第一电容C1的容值，以及根据寄生电容Coss的容值，以在晶体管Q漏源间的电压波形的一次基波附近，第二电感L2可近似为低阻抗，那么第一电容C1和寄生电容Coss并联后和第一电感L1并联谐振，其等效阻抗为一个较高的阻抗；在三次谐波附近，第一电容C1可近似为低阻抗，第一电感L1和第二电感L2并联后和寄生电容Coss并联谐振，同样其等效阻抗为一个高的阻抗；在二次谐波附近，第二电感L2和第一电容C1串联谐振，形成一个低的阻抗，这样，在晶体管Q断开时间内，晶体管Q的两端将会形成一个一次基波和三次谐波叠加的波形，如图2所示，这样晶体管Q的两端Vds_Q的峰值电压会得到降低，相应对电路中器件的要求也相应降低，如可以选择低耐压的器件，可以降低电路成本，同时低耐压器件的导通电阻比较小，可以减低器件的通态损耗。而进一步的，由于晶体管Q的两端电压Vds_Q的持续下降，当控制晶体管的时钟信号即Vg_Q从低电平无效状态变为高电平有效状态时，晶体管Q的两端电压Vds_Q已经下降至零，实现了晶体管Q的零电压导通，从而晶体管没有开通损耗，具体波形如图3所示。

本实施例的电流调节电路3接收所述逆变电路输出的交流电压，以产生恒定频率、恒定幅值的交变电流信号，具体的，所述电流调节电路3包括由第三电感Lc和第五电容Cc组成的谐振电路，所述第三电感Lc的第一端连接所述逆变电路的正输出端，第二端接至所述原边发射线圈Ls的第一端；所述第五电容Cc的第一端与所述第三电感Lc的第二端连接，第二端接所述逆变电路的负输出端；其中，所述第三电感和第五电容的谐振频率与所述预设频率一致，所述第三电感和第五电容的公共连接点的信号作为所述交变电流信号。本领域技术人员可知，所述电流调节电路的结构不限于此。

当第三电感和第五电容的谐振频率与所述预设频率一致时,所述交变电流信号的幅值由第三电感在系统工作频率下的阻抗和输入电源的大小共同决定，因此，当第三电感的阻抗和输入电源大小确定后，则所述交变电流信号为恒定频率恒定幅值的交变电流信号，所述恒定频率为与所述预设频率一致。从图1中可知，所述交变电流信号为所述原边发射线圈的电流信号，而当原边发射线圈通过恒定频率恒定幅值的交变电流时，将会在原边线圈的周围空间中产生恒定频率恒定幅值的交变磁场，这样，副边的电能接收端就能接收到稳定的电能量，不因外界因素如原副边线圈耦合的变化或负载的变化而变化，确保能量传输效率的最优化。

通过上述的无线电能传输装置，在电能发射端通过一个晶体管构成的逆变电路即可实现电压直流-交流的转换，器件少，成本低，同时采用软开关控制电路控制晶体管在零电压处开通，开关损耗低，本发明的软开关控制电路中的第一电感、第二电感和第一电容等器件可以集成在一个模块中，能方便的作为一个独立的无源模块连接到输入电源和开关管之间；并且本发明的电能发射端还设置电流调节电路，调节原边线圈的电流，以使其为恒定频率恒定幅值的电流信号，原边发射磁场稳定，不受原副边耦合或负载变化的影响，提高了系统传输效率；最后，为保证原副边能够最大效率耦合，本发明中通过谐振电容和原边发射线圈进行谐振传输，使得原边谐振频率与系统工作频率一致。

参考图4所示为依据本发明的无线电能传输装置的第二实施例的电路框图，所述电能发射端中的逆变电路1、电流调节电路3和原边发射部分均与上一实施例中相同，所不同的是，所述软开关控制电路2中进一步包括第三电容C3，所述第三电容C3并联在所述第一电感L1的两端。

同样的，通过设置第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1和第三电容C3的容值，以使得软开关控制电路在晶体管Q的漏源电压波形的二次谐波处产生一个较低的阻抗，而在一次基波和三次谐波处产生一个高的阻抗，因此，在晶体管Q断开时间内，晶体管Q的两端电压形成一个一次基波和三次谐波叠加的波形，同样可以实现晶体管Q的零电压导通。

在本实施例中，所述第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1和第三电容C3可以集成在一个模块中，以作为一个独立的无源模块连接至电路中。

同理，实施例二同样具有实施例一中的高效率、低损耗的有益效果，并且，本实施例中由于第一电容C1和第三电容C3上没有直流偏置，可以有效降低电容上的电压应力，可以选择低耐压的电容，节约了电容成本。

参考图5所示为依据本发明的无线电能传输装置的第三实施例的电路框图，本实施例是在实施例一的基础上，进一步增加第四电容，所述第四电容C4并联在所述晶体管Q的漏源端之间。

当晶体管Q的寄生电容Coss很小时，软开关控制电路中的电感和电容不能和寄生电容共同作用形成一次基波和三次谐波叠加的波形，这时需要在晶体管的两端并联一个电容，如图5所示，设置第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1和第四电容C4的容值，以在晶体管Q断开时间内，晶体管Q的两端形成一个一次基波和三次谐波叠加的波形，同样可以实现晶体管Q的零电压导通。

综上所述，本发明的一种高效率的电能发射端和无线电能传输装置通过软开关控制电路控制逆变电路中开关管的两端电压波形，使得开关管关断期间，其漏源间的电压波形为一次基波和三次谐波的叠加波形，以使得开关管始终能够在零电压开通，开关功耗小，并且软开关控制电路中的无源器件可集成在一个模块中，作为独立模块方便连接至电路中；同时本发明通过电流调节电路控制原边发射电流为恒定频率、恒定幅值的电流，以保证原边发射的能量不受耦合和负载的变化影响。本发明的无线电能传输装置极大的提高了电能传输效率和系统的安全可靠性。

以上对依据本发明的优选实施例的高效率的电能发射端和无线电能传输装置进行了详尽描述，本领域普通技术人员据此可以推知其他技术或者结构以及电路布局、元件等均可应用于所述实施例。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.一种高效率的电能发射端，用以向与其隔离的电能接收端传输能量，其特征在于，所述电能发射端包括逆变电路、软开关控制电路、电流调节电路和原边发射部分，

所述逆变电路接收直流输入电源以输出具有预设频率的交流电压；

所述软开关控制电路连接在所述直流输入电源和所述逆变电路之间，以控制所述逆变电路中开关管的两功率端之间的电压；

所述电流调节电路接收所述逆变电路输出的交流电压，以产生恒定频率、恒定幅值的交变电流信号；

所述原边发射部分包括原边发射线圈，所述原边发射线圈用于接收所述交变电流信号，以产生交变磁场来向所述电能接收端传输能量；

其中，所述软开关控制电路控制所述逆变电路中开关管的两功率端之间的电压，以在所述开关管关断时间内，所述开关管的两功率端之间的电压波形为一次基波和三次谐波叠加的波形，使得在所述开关管导通时刻，所述开关管的两功率端之间的电压降至为零，

其中，所述软开关控制电路包括第一电感、第二电感、第一电容和第二电容，

所述第一电感连接在所述直流输入电源的一端和所述逆变电路中开关管的一个功率端之间；

所述第二电感和第一电容串联连接后与所述第一电感并联连接；

所述第二电容为所述逆变电路中场效应晶体管的寄生电容；

所述第一电感、第二电感和第一电容集成在一个模块中。

2.根据权利要求1所述的电能发射端，其特征在于，所述逆变电路包括一个场效应晶体管，所述场效应晶体管通过一时钟信号控制其开关状态，当所述时钟信号为有效状态时，所述场效应晶体管导通，当所述时钟信号为无效状态时，所述场效应晶体管断开。

3.根据权利要求1所述的电能发射端，其特征在于，所述软开关控制电路进一步还包括第四电容，

所述第四电容并联在所述晶体管的两功率端之间。

4.根据权利要求1所述的电能发射端，其特征在于，所述电流调节电路包括由第三电感和第五电容组成的谐振电路，

所述第三电感的第一端连接所述逆变电路的正输出端，第二端接至所述原边发射线圈的第一端；

所述第五电容的第一端与所述第三电感的第二端连接，第二端接所述逆变电路的负输出端；

其中，所述第三电感和第五电容的谐振频率与所述预设频率一致，并且，所述第三电感和第五电容的公共连接点的信号作为所述交变电流信号。

5.根据权利要求1所述的电能发射端，其特征在于，所述电能发射部分还包括原边谐振电容，所述原边谐振电容和所述原边发射线圈的谐振频率为所述预设频率。

6.一种高效率的电能发射端，用以向与其隔离的电能接收端传输能量，其特征在于，所述电能发射端包括逆变电路、软开关控制电路、电流调节电路和原边发射部分，

所述逆变电路接收直流输入电源以输出具有预设频率的交流电压；

所述软开关控制电路连接在所述直流输入电源和所述逆变电路之间，以控制所述逆变电路中开关管的两功率端之间的电压；

所述电流调节电路接收所述逆变电路输出的交流电压，以产生恒定频率、恒定幅值的交变电流信号；

所述原边发射部分包括原边发射线圈，所述原边发射线圈用于接收所述交变电流信号，以产生交变磁场来向所述电能接收端传输能量；

其中，所述软开关控制电路控制所述逆变电路中开关管的两功率端之间的电压，以在所述开关管关断时间内，所述开关管的两功率端之间的电压波形为一次基波和三次谐波叠加的波形，使得在所述开关管导通时刻，所述开关管的两功率端之间的电压降至为零，

其中，所述软开关控制电路还包括第一电感、第二电感、第一电容和第三电容，

所述第一电感连接在所述直流输入电源的一端和所述逆变电路中开关管的一个功率端之间；

所述第二电感和第一电容串联连接后与所述第一电感并联连接；

所述第三电容并联在所述第一电感的两端；

所述第一电感、第二电感、第一电容和第三电容集成在一个模块中。

7.根据权利要求6所述的电能发射端，其特征在于，所述逆变电路包括一个场效应晶体管，所述场效应晶体管通过一时钟信号控制其开关状态，当所述时钟信号为有效状态时，所述场效应晶体管导通，当所述时钟信号为无效状态时，所述场效应晶体管断开。

8.根据权利要求6所述的电能发射端，其特征在于，所述电能发射部分还包括原边谐振电容，所述原边谐振电容和所述原边发射线圈的谐振频率为所述预设频率。

9.一种无线电能传输装置，包括隔离的电能发射端和电能接收端，其特征在于，

所述电能发射端为权利要求1-8任一项所述的电能发射端；

所述电能接收端包括副边接收线圈和整流滤波电路，所述副边接收线圈感应所述原边发射线圈产生的交变磁场，以获得相应的交变电压，所述整流滤波电路将所述交变电压转换为合适的直流电压供给输出负载。