CN107517008B - 用于无线电能传输系统的三相ac-ac变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于无线电能传输系统的三相AC‑AC变换器及其控制方法，变换器包括六组反串联IGBT开关管以及一个LC串联谐振回路，其中：a相电源接头：经开关管组S₁后与LC串联谐振回路的电容端连接，同时经开关管组S₆后与LC串联谐振回路的电感端连接；b相电源接头：经开关管组S₂后与LC串联谐振回路的电容端连接，同时经开关管组S₅后与LC串联谐振回路的电感端连接；c相电源接头：经开关管组S₃后与LC串联谐振回路的电容端连接，同时经开关管组S₄后与LC串联谐振回路的电感端连接。其效果是：结构简单、体积重量小、效率高。

Description

用于无线电能传输系统的三相AC-AC变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电源控制技术，具体涉及一种用于无线电能传输系统的三相AC-AC变换器及其控制方法。

背景技术

无线电能传输技术(Wireless Power Transmission，WPT)作为一种新型的供电技术，借助高频磁场构建供电侧和负载侧之间的能量通道，已经在电动汽车充供电等大功率应用中推广开来。目前的大功率无线电能传输技术方案中，为了保证系统的稳定性与可靠性，在原边一般采用恒流控制方案。目前使用较多的方法将三相电源进行整流得到直流电，再利用直流斩波电路完成对耦合机构的激励电流闭环控制来达到恒流作用。但是这些环节增加了系统的成本，大大增加了系统的体积和损耗，降低了原边系统的效率和稳定性。

发明内容

为解决现有的技术的缺陷，本发明提出一种用于无线电能传输系统的三相AC-AC变换器及其控制方法，该变换器直接将低频三相电转换到单相高频电，去除了三相整流电路以及直流斩波电路，简化了电路环节，缩小系统空间，大大减少了供电侧的能量损耗，提升系统整体效率。

为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现：

首先，本发明提出一种用于无线电能传输系统的三相AC-AC变换器，其关键在于：包括六组反串联IGBT开关管以及一个LC串联谐振回路，其中：

a相电源接头：经过第一组反串联IGBT开关管S₁后与LC串联谐振回路的电容端连接，同时经过第六组反串联IGBT开关管S₆后与LC串联谐振回路的电感端连接；

b相电源接头：经过第二组反串联IGBT开关管S₂后与LC串联谐振回路的电容端连接，同时经过第五组反串联IGBT开关管S₅后与LC串联谐振回路的电感端连接；

c相电源接头：经过第三组反串联IGBT开关管S₃后与LC串联谐振回路的电容端连接，同时经过第四组反串联IGBT开关管S₄后与LC串联谐振回路的电感端连接。

一般情况下，无线电能传输系统为了给耦合机构高频激励电流，将三相电源进行整流得到直流电，再通过直流斩波对电压幅值进行调节，最后通过高频逆变电路得到所需电流。但是这种方式中，由于器件内阻等特性，整流二极管存在不可避免的导通损耗，阻断损耗等，直流斩波电路中储能电感和续流二极管上存在很大电能损耗，导致了供电侧的供电效率下降。同时为了保证电压的稳定，在整流电路和直流斩波电路后往往需要添加储能电容，这也大大增加了系统的体积，由于供电侧使用的环节多，也导致控制复杂度上升。

本发明利用三相全桥逆变电路，依据相位关系依次控制单相进行逆变，从而达到输出频率可调，幅值稳定的交变电流。由于开关管的电能损耗远远小于二极管以及储能电感所带来的损耗，因此可以大大减少系统供电侧的电能损耗，同时减小系统体积，结构简单，相对于传统方式具有很明显的优势。

进一步地，所述六组反串联IGBT开关管均由控制器控制其开关状态，该控制器上设置有用于检测谐振电流的电流检测器以及用于检测三相电相电压的电压检测器。

进一步地，所述LC串联谐振回路中的电感为无线电能传输系统中的原边发射线圈。

进一步地，在所述IGBT开关管上设置有反并联二极管。

进一步地，所述控制器按照以下7种模式对六组反串联IGBT开关管进行控制：

其中：SS表示给予软开关驱动信号；NS表示给予软开关驱动信号的反相信号，对于模式1而言，表示在条件|I_P|＜I_ref,u_ab＞0,u_ca＝0的情况下，对开关管组(S₁,S₅)给予软开关驱动信号，对开关管组(S₂,S₆)给予软开关驱动信号的反相信号，并且开关管组(S₃,S₄)处于断开状态，其余依次类推；对于模式7而言，表示在条件|I_P|≥I_ref的情况下，开关管组(S₃,S₄)处于导通状态，其余开关管组处于断开状态，其中I_P表示原边线圈内的谐振电流峰值大小，I_ref表示设定的参考电流大小，u_ab,u_bc,u_ca分别表示a、b、c三相电相互之间的相电压。

基于上述电路结构设计，本发明还提出一种用于无线电能传输系统的三相AC-AC变换器的控制方法，主要包括以下步骤：

S1：检测电路参数，包括原边线圈内的谐振电流以及三相电相互之间的相电压；

S2：判断原边线圈内的谐振电流峰值I_P是否小于参考电流I_ref，如果是，则进入S3，否则采用模式7进行控制；

S3：判断a、b两相电源之间的相电压u_ab过零点是否到来，如果到来，进入S4，否则进入S5；

S4：判断b、c两相电源之间的相电压u_bc是否为正，如果是，则采用模式5进行控制；否则，采用模式6进行控制；

S5：判断b、c两相电源之间的相电压u_bc过零点是否到来，如果到来，进入S6，否则进入S7；

S6：判断c、a两相电源之间的相电压u_ca是否为正，如果是，则采用模式3进行控制；否则，采用模式4进行控制；

S7：判断c、a两相电源之间的相电压u_ca过零点是否到来，如果到来，进入S8，否则返回S1；

S8：判断a、b两相电源之间的相电压u_ab是否为正，如果是，则采用模式1进行控制；否则，采用模式2进行控制。

与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：

(1)结构简单，本发明主要变化的模块为开关管，采用两个反并联IGBT构成一组开关机构，省去了传统的整流电路和直流斩波电路，使系统的结构更加简单。

(2)体积重量小，本发明由于省去了传统的整流电路和直流斩波电路中的电容和电感，大大减少了系统的体积和重量。

(3)效率高，本发明主要的损耗在于IGBT的开关损耗，由于采用了软开关技术，开关管的损耗很小。而传统电路不仅在开关管上有损耗，而且电感和二极管上存在不可消除的大量损耗。

附图说明

图1为本发明的电路原理图；

图2为开关管驱动波形图；

图3为具体实施例中第一控制周期的电路连接状态图；

图4为具体实施例中第二控制周期的电路连接状态图；

图5为具体实施例中第三控制周期的电路连接状态图；

图6为本发明的控制流程图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种用于无线电能传输系统的三相AC-AC变换器及其控制方法，用于改善现有三相AC-AC变换环节复杂，空间庞大，效率偏低的缺陷。现有的三相交交变频电路是把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交流电的变流电路，主要应用于大功率交流电机调速系统，一般情况下，输出上限频率不高于电网频率的1/3～1/2。而本发明是将电网频率的交流电直接变换为高频的交流电的交流电路，输出频率一般为电网频率的300倍以上，从而产生高频的激励磁场，可以应用于大功率无线电能传输系统。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。

实施例

如图1所示，一种用于无线电能传输系统的三相AC-AC变换器，包括六组反串联IGBT开关管以及一个LC串联谐振回路，其中：

a相电源接头：经开关管组S₁后与LC串联谐振回路的电容端连接，同时经开关管组S₆后与LC串联谐振回路的电感端连接；

b相电源接头：经过第二组反串联IGBT开关管S₂后与LC串联谐振回路的电容端连接，同时经过第五组反串联IGBT开关管S₅后与LC串联谐振回路的电感端连接；

c相电源接头：经过第三组反串联IGBT开关管S₃后与LC串联谐振回路的电容端连接，同时经过第四组反串联IGBT开关管S₄后与LC串联谐振回路的电感端连接。

在作为无线电能传输系统应用时，LC串联谐振回路中的电感为无线电能传输系统中的原边发射线圈。

基于上述设计可以发现，本发明通过六组反串联IGBT开关管构成三相AC-AC变换电路，相对于传统无线电能传输系统结构简单，大大缩减系统环节。该三相AC-AC变换电路可以通过检测三相项电压过零点进行开关管切换，从而使输入侧的电压保持相对稳定。由于变换电路的工作频率远远高于三相电频率，在单周期内电路的输入电压可以看作恒定，由此逆变出稳定的高频交变电流。该电路可以实现两个电路功能，一是将三相电转化为单相电，并对单相电进行升频；二是可以控制导轨电流的幅值。

在具体实施时，所述六组反串联IGBT开关管均由控制器控制其开关状态，该控制器上设置有用于检测谐振电流的电流检测器以及用于检测三相电相电压的电压检测器，同时，在所述IGBT开关管上设置有反并联二极管。

为了保证系统的功率和效率，所述控制器按照以下7种模式对六组反串联IGBT开关管进行控制：

其中：SS表示给予软开关驱动信号；NS表示给予软开关驱动信号的反相信号，对于模式1而言，表示在条件|I_P|＜I_ref,u_ab＞0,u_ca＝0的情况下，对开关管组(S₁,S₅)给予软开关驱动信号，对开关管组(S₂,S₆)给予软开关驱动信号的反相信号，并且开关管组(S₃,S₄)处于断开状态，其余依次类推；对于模式7而言，表示在条件|I_P|≥I_ref的情况下，开关管组(S₃,S₄)处于导通状态，其余开关管组处于断开状态，其中I_P表示原边线圈内的谐振电流峰值大小，I_ref表示设定的参考电流大小，u_ab,u_bc,u_ca分别表示a、b、c三相电相互之间的相电压。

基于上述设计可以发现，模式的判断条件有3个，分别为：

(1)线圈电流与设定电流之间的大小关系；

(2)三相电相电压的正负值；

(3)三相电相电压的过零点；

在任意一个时刻，选取三相电中绝对值最大的一相作为系统的输入，由此可以得到一个电压值波动不明显且幅值足够大的电压输入，从而保证系统有平稳与充足的输入功率。从图2可以看出，相与相之间的切换点正是第三相的电压过零电。因此通过相电压的过零点和最大相电压此时的正负就可以设计系统的驱动波形。由于开关管的驱动频率很高，在一个驱动周期内的电压输入可以近似恒定，由此三相AC-AC变换电路就将三相电逆变为高频稳定的单相电。

当线圈的电流未超过线圈电流设定值时，根据软开关驱动信号对电路中的开关管进行驱动，得到高频交变电流。

当线圈的电流超过线圈电流设定值时，将S3和S4开关管打开，其他开关管全部关闭，由此使原边谐振电容和电感与S3,S4形成一个回路。此时耦合机构失去能量注入，原边线圈内的电流开始自由震荡，同时为负载供电，从而使线圈内的电流开始下降。

由上述规则产生的各个开关管的驱动波形如图2所示，图中虚线表示三相电的绝对值，SS信号为软开关信号，OVIP信号为线圈电流超过设定值产生的信号，Mode表示控制模式。

为了保证系统的效率，在检测到电流超过线圈电流设定值时，在下一个零点后进行控制，由此系统依然满足ZCS开通。

以图2中前3个控制周期为例，对电路状态进行分析。

从图2中可以看出，在第一个控制周期时，u_bc为三相电中电压最大的一相，且此时u_bc＜0，因此，控制模式为模式6。

根据控制规则(S₃,S₅),SS,(S₂,S₄),NS，此时S3和S5给予SS驱动信号即关闭，S2和S4给予NS驱动信号即开启。因此LC谐振回路、b相电源和c相电源以及开关管S4,S2构成一个回路，电路状态如图3所示。

在第二个控制周期，控制模式依然为模式6，但由于线圈电流反向，根据控制规则为(S₃,S₅),SS,(S₂,S₄),NS，此时S3和S5给予SS驱动信号即开启，S2和S4给予NS驱动信号即关闭。因此耦合机构、电源b相和c相以及开关管S3,S5构成一个回路，电路状态如图4所示。并且此时检测到线圈电流已经大于电流设定值，OVIP＝1。

在第三个控制周期，由于上一个控制周期已经检测到线圈电流超过电流设定值，因此进入控制模式7。此时开启开关管S3,S4并且关闭其他开关管，因此耦合机构与开关管S3,S4构成一个放电回路，使线圈电流下降，从而达到控制线圈电流大小的功能，对应的电路状态如图5所示。

基于上述描述，可以得到一种用于无线电能传输系统的三相AC-AC变换器的控制方法，具体过程如图6所示，包括以下步骤：

S1：检测电路参数，包括原边线圈内的谐振电流以及三相电相互之间的相电压；

S2：判断原边线圈内的谐振电流峰值I_P是否小于参考电流I_ref，如果是，则进入S3，否则采用模式7进行控制；

S3：判断a、b两相电源之间的相电压u_ab过零点是否到来，如果到来，进入S4，否则进入S5；

S4：判断b、c两相电源之间的相电压u_bc是否为正，如果是，则采用模式5进行控制；否则，采用模式6进行控制；

S5：判断b、c两相电源之间的相电压u_bc过零点是否到来，如果到来，进入S6，否则进入S7；

S6：判断c、a两相电源之间的相电压u_ca是否为正，如果是，则采用模式3进行控制；否则，采用模式4进行控制；

S7：判断c、a两相电源之间的相电压u_ca过零点是否到来，如果到来，进入S8，否则返回S1；

S8：判断a、b两相电源之间的相电压u_ab是否为正，如果是，则采用模式1进行控制；否则，采用模式2进行控制。

其中，文中所述的模式1、2···7对应为表中所示的系统控制模式，在一个控制周期开始对系统电路参数进行检测，并依据上表所示的规则选择所需的控制模式。

基于上述分析可以理解，本发明提出的三相AC-AC变换器可以实现高频逆变，恒流控制，能利用原边谐振回路与开关管构成自由振荡回路实现线圈电流大小调节，电路结构整体简单，各种模式之间的切换方便，在减少电路环节的同时，还能大大提高控制效率，能够有效的应用于无线电能传输系统中。

最后应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于无线电能传输系统的三相AC-AC变换器，其特征在于：包括六组反串联IGBT开关管以及一个LC串联谐振回路，其中：

a相电源接头：经第一组反串联IGBT开关管S₁后与LC串联谐振回路的电容端连接，同时经第六组反串联IGBT开关管S₆后与LC串联谐振回路的电感端连接；

b相电源接头：经过第二组反串联IGBT开关管S₂后与LC串联谐振回路的电容端连接，同时经过第五组反串联IGBT开关管S₅后与LC串联谐振回路的电感端连接；

c相电源接头：经过第三组反串联IGBT开关管S₃后与LC串联谐振回路的电容端连接，同时经过第四组反串联IGBT开关管S₄后与LC串联谐振回路的电感端连接；

所述六组反串联IGBT开关管均由控制器控制其开关状态，该控制器上设置有用于检测谐振电流的电流检测器以及用于检测三相电相电压的电压检测器；

所述控制器按照以下7种模式对六组反串联IGBT开关管进行控制：

其中：SS表示给予软开关驱动信号；NS表示给予软开关驱动信号的反相信号，对于模式1而言，表示在条件|I_P|＜I_ref,u_ab＞0,u_ca＝0的情况下，对开关管组S₁,S₅给予软开关驱动信号，对开关管组S₂,S₆给予软开关驱动信号的反相信号，并且开关管组S₃,S₄处于断开状态，其余依次类推；对于模式7而言，表示在条件|I_P|≥I_ref的情况下，开关管组S₃,S₄处于导通状态，其余开关管组处于断开状态，其中I_P表示原边线圈内的谐振电流峰值大小，I_ref表示设定的参考电流大小，u_ab,u_bc,u_ca分别表示a、b、c三相电相互之间的相电压。

2.根据权利要求1所述的用于无线电能传输系统的三相AC-AC变换器，其特征在于：所述LC串联谐振回路中的电感为无线电能传输系统中的原边发射线圈。

3.根据权利要求1所述的用于无线电能传输系统的三相AC-AC变换器，其特征在于：在所述IGBT开关管上设置有反并联二极管。

4.如权利要求1所述的用于无线电能传输系统的三相AC-AC变换器的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：检测电路参数，包括原边线圈内的谐振电流以及三相电相互之间的相电压；

S2：判断原边线圈内的谐振电流峰值I_P是否小于参考电流I_ref，如果是，则进入S3，否则采用模式7进行控制；

S3：判断a、b两相电源之间的相电压u_ab过零点是否到来，如果到来，进入S4，否则进入S5；

S4：判断b、c两相电源之间的相电压u_bc是否为正，如果是，则采用模式5进行控制；否则，采用模式6进行控制；

S5：判断b、c两相电源之间的相电压u_bc过零点是否到来，如果到来，进入S6，否则进入S7；

S6：判断c、a两相电源之间的相电压u_ca是否为正，如果是，则采用模式3进行控制；否则，采用模式4进行控制；

S7：判断c、a两相电源之间的相电压u_ca过零点是否到来，如果到来，进入S8，否则返回S1；

S8：判断a、b两相电源之间的相电压u_ab是否为正，如果是，则采用模式1进行控制；否则，采用模式2进行控制。