CN106452108A - 基于ClassE变换器的超高频整流变换电路及其阻抗匹配方法 - Google Patents

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金科
陈岳哲
周玮阳
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Abstract

本发明公开了基于Class E变换器的超高频整流变换电路及其阻抗匹配方法，属于微波无线电能传输的技术领域。整流变换电路由级联的Class E变换器和DC‑DC变换器构成，Class E变换器中的电感元件参与谐振，通过控制后级DC‑DC的占空比从而使得DC‑DC变换器的输入阻抗恒定，最终令整流变换电路的输入阻抗恒定。将该超高频整流变换电路用于微波无线电能传输接收端，在负载变化的条件下，天线能够将接收到的最大功率传输到后级负载，即整流电路能够工作在最大功率点跟踪模式。

Description

基于Class E变换器的超高频整流变换电路及其阻抗匹配 方法
技术领域
本发明公开了基于Class E变换器的超高频整流变换电路及其阻抗匹配方法，属于微波无线电能传输的技术领域。
背景技术
随着电气设备的日益普及，以接触导电为主的传统供电模式存在着移动性差、不安全可靠等问题，尤其是在用电设备和供电系统存在相对移动的系统中，为满足物理接触需要较多的附加设备，给用电设备的应用带来不便。而无线微波电能传输具有传输距离远、空间损耗小的优点，适合于对各类飞行器及空间探测器等远距离目标进行非接触充电。
图1所示为微波无线电能传输系统的通用结构，其中，接收端的RF-DC整流是重要组成部分，其转换效率对系统整体的电能传输效率有着直接的影响。但目前接收整流电路中使用单纯的二极管整流，导致RF-DC的整流效率比较低下，严重阻碍了微波无线电能传输技术的发展和应用，因此整流变换电路的转换效率对提高微波无线电能传输效率具有重要理论意义和实际应用价值。
另外，由于整流变换电路前级是天线，天线的特征阻抗是50Ω阻性，因而为了满足最大功率传输定理，在后级负载改变时，只有当整流变换电路前级阻抗保证在50Ω阻性时，才能将天线接收到的最大功率传输出去。
通常基本的电流型Class E变换器可以工作在超高频的状态下，由于后级负载的变化是不可忽略的也是难以预测的，在变负载条件下，Class E变换器的输入阻抗是随着负载的变化而变化的，如图2所示。如果要将基于电流型的Class E整流变换器直接级联在天线后级，天线无法将接收到的最大功率传输到后级负载。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了基于Class E变换器的超高频整流变换电路及其阻抗匹配方法，实现了超高频整流变换电路的输入阻抗不随负载的变化而变化，解决了天线无法通过直接级联在后的Class E整流变换器将接收到的最大功率传输到后级负载的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
基于Class E变换器的超高频整流变换电路，包括：输入阻抗恒定的Class E变换器和DC-DC变换器，Class E变换器输入端接交流电源，DC-DC变换器输入端与Class E变换器输出端连接，DC-DC变换器输出端接负载。
进一步的，基于Class E变换器的超高频整流变换电路中，Class E变换器为电流型Class E变换器，具体包括：二极管、电容、与电容谐振的电感、输出滤波电容，二极管与交流电流源并联连接，电容并接在二极管两极之间，电感一端与二极管阴极和电容的并接点相连，电感另一端与输出滤波电容的正极连接，输出滤波电容负极与二极管阳极和电容的并接点相连。
更进一步的，基于Class E变换器的超高频整流变换电路中，DC-DC变换器为Buck变换器。
更进一步的，基于Class E变换器的超高频整流变换电路中，DC-DC变换器为Boost变换器。
基于Class E变换器的超高频整流变换电路的阻抗匹配方法，调节DC-DC变换器的占空比直至DC-DC变换器输入阻抗恒定，当后级DC-DC变换器的输入阻抗在占空比调整过程中保持不变时，即能够使得Class E变换器的输出阻抗不变时，Class E的输入阻抗也不变，整个两级式拓扑外加控制策略起到阻抗匹配的作用，DC-DC变换器占空比D为：vo2、io2分别为DC-DC变换器的输入电压、输入电流，vo1、io1分别为DC-DC变换器的输出电压、输出电流。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明提出了一种基于ClassE变换器的超高频整流变换电路及其阻抗匹配方法，Class E变换器中的电感参与谐振使得Class E变换器的输入阻抗恒定，实时调节级联在Class E变换器之后的DC-DC变换器的占空比就能使得DC-DC变换器输入阻抗恒定，超高频整流变换电路的输入阻抗在DC-DC变换器输入阻抗恒定时也恒定，因此，将本申请公开的超高频整流变换电路应用在微波无线电能传输系统接收端时，在后级负载随时变化的情况下，天线能够将接收到的最大功率传输到后级负载，即整流电路能够工作在最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)模式。
附图说明
图1是微波电能传输系统的通用结构图；
图2是Class E变换器的输入阻抗随负载变化的曲线；
图3是基于Class E的超高频AC-DC拓扑；
图4是电流型Class E变换器的拓扑；
图5是Buck变换器的拓扑；
图6是控制整个拓扑的输入阻抗恒定流程图。
图中标号说明：iin为输入电流源，D为二极管，Cr为电容，Lr为电感，Co为输出滤波电容。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
图3给出了基于Class E的超高频AC-DC拓扑，该超高频AC-DC拓扑由两部分构成，前级超高频AC-DC拓扑为基于Class E的拓扑，后级DC-DC拓扑为普通的DC-DC拓扑，两级式拓扑由DC-DC拓扑级联在Class E拓扑之后构成。DC-DC拓扑可以通过常见的DC-DC变换器实现，本实施例以Buck变换器为例。
前级基于Class E的拓扑采用图4所示的电流型Class E变换器，该超高频整流的Class E变换器由二极管D、电容Cr、电感Lr和输出滤波电容Co构成，二极管D并联在输入电流源iin两极之间，二极管D外再并联一个电容Cr，该电容由外并电容和二极管的寄生结电容构成，电感Lr的一端与二极管的阴极相连，电感Lr的另一端与输出滤波电容Co的正极相连，输出滤波电容Co的负极和二极管D的阳极相连，该电流型Class E的拓扑与传统拓扑不同的地方在于它的电感也参与谐振，即二极管结电容和外并电容组成的电容和电感发生谐振，而传统拓扑中该电感值较大，基本不和前端的结电容发生谐振。该电流型Class E的拓扑除了具有输出阻抗保证不变时输入阻抗也保证不变这一个特征以外，还具备输入阻抗恒定的特征。在设计电流型Class E变换器的参数时，设定电感与电容谐振后，计算满足Class E变换器工作条件的各参数值以实现Class E变换器输入阻抗恒定。因而，根据本申请公开的电流型Class E变换器的两个特性及其两级式拓扑结构，下面将给出使得整个整流变换电路输入阻抗不变的控制方法。
图5给出了Buck变换器的拓扑，控制目标是令Buck变换器的输入阻抗保持不变从而使得前级超高频Class E变换器输入阻抗不变。整个控制流程图如图6所示。
令Buck变换器工作在电流连续(constant current mode,CCM)模式。在开关管Q导通时，A点电压为Vin，B点电压为Vo，则可以推出开关管Q导通时电感的电压VLon：
VLon＝Vin-Vo (1)
由电感电压和电流关系式：
由关系式(1)(2)，可以推出电感电流变化值：
当开关管Q断开时，二极管D导通，A点电压为0，B点电压仍为Vo，则开关管Q断开时电感电压可以推出：
VLoff＝-Vo (4)
类似可得开关管Q断开时电感电流变化值：
根据关系式(3)(5)，可推出：
Vo＝DVin (6)
假定Rin为DC-DC变换器的平均输入阻抗，RL为变换器的输出负载阻抗，Pin和Po分别是DC-DC变换器的输入功率和输出功率，假设DC-DC变换器理想，不存在损耗，则Pin和Po相等，可得：
根据关系式(6)(7)，可得：
又因为输入阻抗Rin、输出阻抗RL可分别由输入电压vo2、输入电流io2和输出电压vo1、输出电流io1的关系式表达：
则再将关系式(9)进行变换，可推出：
控制整个拓扑的输入阻抗恒定的流程如图6所示，实时采样DC-DC变换器输出电压vo1和输出电流io1，实时采样电流型Class E变换器输出电压vo2和输出电流io2(因DC-DC变换器级联在电流型Class E变换器之后，检测的电流型ClassE变换器输出电压和输出电流即为DC-DC变换器的输入电压和输入电流)，根据实时采集的数据以及公式(10)计算DC-DC变换器的当前占空比，在占空比大于或等于1时调整输出负载RL直至占空比小于1，在占空比小于1时以当前占空比控制DC-DC变换器，当DC-DC变换器输入阻抗恒定时结束整个调节过程。
在变负载的情况下，只要使得后级Buck变换器的占空比满足(10)的条件，就能够使得后级Buck变换器的输入阻抗和前级Class E变换器的输出阻抗相等，并且Class E变换器的输出阻抗在后级负载变化情况下依旧保持阻抗不变，从而满足使得Class E变换器的输入阻抗不变，实现整个超高频整流变换电路的输入阻抗恒定。
以上实例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.基于Class E变换器的超高频整流变换电路，其特征在于，包括：输入阻抗恒定的Class E变换器和DC-DC变换器，所述Class E变换器输入端接交流电源，DC-DC变换器输入端与Class E变换器输出端连接，DC-DC变换器输出端接负载。
2.根据权利要求1所述基于Class E变换器的超高频整流变换电路，其特征在于，所述Class E变换器为电流型Class E变换器，具体包括：二极管、电容、与电容谐振的电感、输出滤波电容，所述二极管与交流电流源并联连接，电容并接在二极管两极之间，电感一端与二极管阴极和电容的并接点相连，电感另一端与输出滤波电容的正极连接，输出滤波电容负极与二极管阳极和电容的并接点相连。
3.根据权利要求1或2所述基于Class E变换器的超高频整流变换电路，其特征在于，所述DC-DC变换器为Buck变换器。
4.根据权利要求1或2所述基于Class E变换器的超高频整流变换电路，其特征在于，所述DC-DC变换器为Boost变换器。
5.权利要求1或2所述基于Class E变换器的超高频整流变换电路的阻抗匹配方法，其特征在于，调节DC-DC变换器的占空比直至DC-DC变换器输入阻抗恒定，所述DC-DC变换器占空比D为：vo2、io2分别为DC-DC变换器的输入电压、输入电流，vo1、io1分别为DC-DC变换器的输出电压、输出电流。
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