CN107046334A - 一种利用半谐振的e类拓扑提高感应电能传输效率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用半谐振的E类拓扑提高感应电能传输效率的方法，其特征在于包括以下步骤：对电路中的元件进行调谐，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，避免开关过程中电压、电流的重叠；对E类射频功率放大器拓扑结构进行修改，通过将功率放大器和阻抗匹配电路整合到一个驱动子系统中以减少级数，避免额外的阻抗匹配网络中元件的损耗，同时提高驱动和链接的效率。本发明在高频率、中距离、发射和接收线圈大小不一致、线圈不是准确对齐的情况下实现IPT系统的高效率，并且保证系统能有较小的体积和重量。

Description

一种利用半谐振的E类拓扑提高感应电能传输效率的方法
技术领域
本发明涉及一种感应电能传输技术，具体地说是一种利用半谐振的E类拓扑提高感应电能传输效率的方法。
背景技术
感应电能传输系统可以通过共振感应实现电能传播，低功率、近耦合的无线传输方法已经在某些商业产品上实现了，现在研究兴趣又出现在了中距离应用上。在很多工业和商业的应用中，IPT(Inductive Power Transfer，感应电能传输)系统必须能够在中距离应用时传输较高的功率并获得较高的效率。目前，几个研究团队已经研究了几种获得高的链接效率的方法。第一种是工作在比较低的频率(约几十khz),通过使用场成型技术增加系统的耦合因素k，可以轻松实现高效的驱动电路。但是场成型技术一般会占据较大的体积，需要大量的材料，制造成本昂贵，并且要求线圈精确地对齐。这些方案使场成型技术不适合于大多数应用。第二种方法是在线圈大小确定时，在最合适的频率下获得最大功率传输。但是由于晶体管上的损耗使驱动效率降低，因而减小了IPT系统的效率。
发明内容
针对现有技术中感应电能传输系统的传输效率低的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种利用半谐振的E类拓扑提高感应电能传输效率的方法，以达到实现IPT系统的高效率电能传输的目的。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明一种利用半谐振的E类拓扑提高感应电能传输效率的方法，包括以下步骤：
对电路中的元件进行调谐，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，避免开关过程中电压、电流的重叠；
对E类射频功率放大器拓扑结构进行修改，通过将功率放大器和阻抗匹配电路整合到一个驱动子系统中以减少级数，避免额外的阻抗匹配网络中元件的损耗，同时提高驱动和链接的效率。
对电路中的元件进行调谐包括以下步骤：
对于一个不调谐的接收器，调节接收器的并联谐振电容使接收器达到谐振；经调谐后，如果接收器达到谐振后，用E类功率放大器的调谐方法达到软开关运行；
如果VDS大于3.56VDD，场效应管并联电容Cpar以5pF的整倍增加；
否则，如果VDS＜3.56VDD，场效应管并联电容Cpar以5pF的整倍减小来达到正确的VDS，同时微调Cser使驱动保持软开关运行。
还包括以下步骤：
将电路中的驱动和负载分开放置，在没有强制通风冷却的情况下独立散热，通过稳态散热温度测试推算功率，直流电源到负载的效率用如下公式计算:
其中，Tamb为初始温度，TssRX为接收线圈的散热稳态温度，RthRX(T)为接收端负载的集总热阻，Pdc为输入的直流功率。
RthRX(T)通过将已知的功率的直流电源加到RX负载直到温度达到稳态来标度。
5.按权利要求3所述的利用半谐振的E类拓扑提高感应电能传输效率的方法，其特征在于：当IPT系统测试开始的时候，在同样的保热实验情况下测量稳态时的温度并通过温度得到负载上消耗的功率。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明在高频率、中距离、发射和接收线圈大小不一致、线圈不是准确对齐的情况下实现IPT系统的高效率，并且保证系统能有较小的体积和重量。
附图说明
图1为本发明一种实施方式半谐振的E类拓扑结构图；
图2为本发明一种实施方式软开关过程示意图；
图3为本发明一种实施方式感应能量传输的结构图；
图4为本发明一种实施方式半谐振的E类拓扑的调谐流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。
本发明利用半谐振的E类拓扑提高感应电能传输效率的方法，包括以下步骤：
对电路中的元件进行调谐，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，避免开关过程中电压、电流的重叠；
对E类射频功率放大器拓扑结构进行修改，通过将功率放大器和阻抗匹配电路整合到一个驱动子系统中以减少级数，避免额外的阻抗匹配网络中元件的损耗，同时提高驱动和链接的效率。
对电路中的元件进行调谐包括以下步骤：
对于一个不调谐的接收器，调节接收器的并联谐振电容C使接收器达到谐振，根据接收器并联谐振计算得到谐振电容C的值，考虑到负载电阻的等效并联电容，调谐时需要调整电容C的值比计算值小一点。
经调谐后，如果接收器达到谐振后，用E类功率放大器的调谐方法达到软开关运行；
如果VDS大于3.56VDD，谐场效应管并联电容Cpar以5pF的整倍增加；
否则，如果VDS＜3.56VDD，谐场效应管并联电容Cpar以5pF的整倍减小来达到正确的VDS，同时微调Cser(用Cser的最小调节步长调节，适当增加或减小，以保持软开关运行)使驱动保持软开关运行。
半谐振的E类拓扑图如图1所示，Cser为串联谐振电容，Cpar为场效应管并联的电容，Lp为发射线圈的电感，Rps为发射线圈的电阻，Rseq为接收端反映到发射端的等效电阻，Cres为并联谐振电容，Lp、Rps、Rseq和Cres构成发射谐振回路，Lchoke为滤波电感器，VDD为直流电源电压，ωd为驱动脉冲的角频率，VDS为场效应管的漏源电压，ωoTX为初级谐振回路的谐振角频率。
该拓扑结构避免了额外的阻抗匹配网络元件的损耗，提高了驱动的效率。对电路中的元件进行适当的调谐，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，避免开关过程中电压、电流的重叠，从而减小开关损耗，提高驱动的效率。
图1所示的拓扑将功率放大器和阻抗匹配电路整合到一个驱动子系统中，由于采用了半谐振E类拓扑结构，使视在负载(发射线圈的电阻Rps和等效的接收端的电阻Rseq)和视在电感(发射线圈的电感Lp)增大，发射端的谐振角频率为ωoTX，接收端的谐振角频率为ωoRX，场效应管门驱动开关的工作角频率为ωd，通过调谐使运行过程中保证ωoTX>ωoRX≡ωd，可以提高驱动和链接的效率。
本实施例中，输入直流电压VDD为60V，输入直流功率Pdc为90W。选择包括DE375-102N12A功率场效应管和集成门驱动的IXYSRFIXZ421DF12N100模块作为驱动模块，该模块具有高功率处理能力和纳秒级的开关能力，而且输出电容Coss(场效应管的结电容)比较小。由于Coss被Cpar有效吸收，因此限制了ωd/ωoTX(两个角频率的比值)的最大值。ωd/ωoTX的最大值为0.82，运行时不能超过这个临界值。若超过这个临界值会导致失调，不能达到软开关运行。Cpar、Cser和谐振电容采用Dielectric LaboratoriesC40AH电容，由于它们有高的Q值和低的等效串联电阻。
滤波电感器Lchoke保证只有从电源出来的直流电流流过场效应管。滤波电感器采用铁粉芯，由于它具有低磁导率、高功率应用的稳定性和较高的自谐振频率。为了避免负载电阻的串联电感对调谐的影响，选择金属膜电阻器作为负载，阻值为21KΩ，它们在高频率下具有低电感表现和较高的功率处理能力。这种电阻，当它的电阻和操作频率增加时，并联寄生电容也会增加。在6MHz下，金属电阻的寄生电容的值约为2.8pF。当设计负载网络和选择接收器的调谐电容的时候需要考虑到金属电阻的寄生电容。调谐接收器时需要考虑负载电阻的寄生电容，保证接收器谐振，避免电容性电抗反映到发射端。
如图2所示为软开关过程的示意图。通过对电路中的元件进行适当的调谐，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，避免开关过程中电压、电流的重叠，从而大大减小了开关损耗，提高驱动效率。
感应能量传输的结构如图3所示，这个结构包括直流电源单元，线圈驱动(时脉产生器和含有阻抗匹配网络的功率放大器)，发射线圈和接收线圈(从线圈中心到线圈中心的分隔距离为D)，一个可选的整流器和负载。
本实施例中，发射线圈中心和接收线圈中心的距离为30cm，发射线圈中心和接收线圈中心在同一水平线上。线圈之间的最小距离是23cm。线圈用直径为1cm和厚度为1mm的铜管道制造。接收线圈为5匝，线圈直径20cm；发射线圈为3匝，线圈直径30cm。架子和线圈间隔器均使用有机玻璃，防止涡流造成损耗和测量误差。线圈间隔器使线圈从管道的中心到管道的中心的距离为2cm，以减少线圈的邻近效应。用两个松互感耦合线圈作为探针，通过传输系数测量获得因素Q。实验测得发射线圈和接收线圈均在接近于6MHz附近达到最大的因素Q。
为了避免“地”的跳变和保证E类运行，集成门驱动/场效应管模块的输入直流母线和门信号保持尽可能的短；模块、端口共享器和负载的接地轨道也要尽可能的短。接地层围绕着标准低消耗的FR-4衬底两层的所有元件放置，使电弧空隙在轨道和线圈旁边元件的周围。所有的接地轨道要尽可能的短以减少它们的电阻和电感，但是要足够宽来防止由于过热而起道。
为了达到半谐振E类运行状态，必须进行重复的调谐过程。半谐振的E类拓扑提高感应电能传输调谐流程图如图4所示。
调谐步骤如下：
1)考虑到负载电阻的等效并联电容，要减小接收共振器的电容，才可以使接收器谐振。对于一个不调谐的接收器，由于从接收端反应到发射端的等效电抗，需要改变发射端共振器的电容值。这改变了ωd/ωoTX的比值，因此需要重新调谐Cpar和Cser。如果ωd/ωoTX的比值开始增加，可能会出现调谐驱动所需的Cpar比场效应管的Coss要低，使场效应管不适合E类运行。
2)接收器达到谐振后，用E类功率放大器的调谐方法达到软开关运行。
3)Cpar是额外并联的电容，Coss依赖于VDS，调谐峰峰电压进一步提高效率。如果VDS大于3.56VDD，Cpar需要以5pF的整倍增加；
4)否则，如果VDS＜3.56VDD，Cpar需要以5pF的整倍减小来达到正确的VDS。同时，Cser需要轻微的调整使驱动保持软开关运行。
本实施例采用间接测量直流电源到负载效率的方法。将驱动和负载(包括调谐电容)分开放置，在没有强制通风冷却的情况下独立地散热，通过精确的稳态散热温度测试推算功率。精确地测量输入功率，直流电源到负载的效率用如下公式计算:
Tamb是初始温度，TssRX是接收线圈的散热稳态温度，RthRX(T)是接收端负载的集总热阻，Pdc是输入的直流功率。RthRX(T)通过将已知的功率的直流电源加到RX负载直到温度达到稳态来标度(通过直接在负载上加已知功率的电源，测量温升，得到热阻，即得到负载的RthRX(T)值)。当IPT系统测试开始的时候，在同样的保热实验情况下测量稳态时的温度并通过温度得到功率。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本技术领域内的熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (5)

1.一种利用半谐振的E类拓扑提高感应电能传输效率的方法，其特征在于包括以下步骤：
对电路中的元件进行调谐，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，避免开关过程中电压、电流的重叠；
对E类射频功率放大器拓扑结构进行修改，通过将功率放大器和阻抗匹配电路整合到一个驱动子系统中以减少级数，避免额外的阻抗匹配网络中元件的损耗，同时提高驱动和链接的效率。
2.按权利要求1所述的利用半谐振的E类拓扑提高感应电能传输效率的方法，其特征在于对电路中的元件进行调谐包括以下步骤：
对于一个不调谐的接收器，调节接收器的并联谐振电容使接收器达到谐振；经调谐后，如果接收器达到谐振后，用E类功率放大器的调谐方法达到软开关运行；
如果VDS大于3.56VDD，场效应管并联电容Cpar以5pF的整倍增加；
否则，如果VDS＜3.56VDD，场效应管并联电容Cpar以5pF的整倍减小来达到正确的VDS，同时微调Cser使驱动保持软开关运行。
3.按权利要求1所述的利用半谐振的E类拓扑提高感应电能传输效率的方法，其特征在于还包括以下步骤：
将电路中的驱动和负载分开放置，在没有强制通风冷却的情况下独立散热，通过稳态散热温度测试推算功率，直流电源到负载的效率用如下公式计算:
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其中，Tamb为初始温度，TssRX为接收线圈的散热稳态温度，RthRX(T)为接收端负载的集总热阻，Pdc为输入的直流功率。
4.按权利要求3所述的利用半谐振的E类拓扑提高感应电能传输效率的方法，其特征在于：RthRX(T)通过将已知的功率的直流电源加到RX负载直到温度达到稳态来标度。
5.按权利要求3所述的利用半谐振的E类拓扑提高感应电能传输效率的方法，其特征在于：当IPT系统测试开始的时候，在同样的保热实验情况下测量稳态时的温度并通过温度得到负载上消耗的功率。
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