CN107612160B - 一种磁耦合并联谐振式无线电能传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁耦合并联谐振式无线电能传输装置，有三个部分构成，1，电源模块；2，频率跟随逆变电路模块；3，并联电磁谐振系统。采用了一种频率跟随高频逆变电路，该逆变电路开关管的驱动信号由电路自身产生，无需高频信号产生模块，而且逆变频率可自动跟随输出端的并联LC网络的固有谐振频率，整个系统始终工作在谐振状态，无需设计防失谐系统，从而有效地解决了磁耦合谐振系统中的频率跟踪问题，而且整个系统结构简单，成本较低。

Description

一种磁耦合并联谐振式无线电能传输装置

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，涉及一种磁耦合并联谐振式无线电能传输装置，具体涉及一种基于频率跟随高频逆变电路的磁耦合并联谐振式无线电能传输装置设计。

背景技术

无线电能传输系统不需要以电缆为媒介就可以进行电能传输，最近几年已经得到了快速的发展。目前世面上主流的三种无线电能传输系统是，电磁感应式，微波式和磁耦合谐振式。其中磁耦合谐振式传输距离远，传输功率和效率都较高，近几年掀起了研究热潮。磁耦合谐振式是在电磁感应原理的基础上应用了共振现象，从而可以实现较远距离的功率传输，一般大于30cm，且有良好的穿透性，能量只在共振系统中传输，对共振系统之外的物体无影响。目前世面上的磁耦合谐振式无线电能传输装置设计思路是:首先设计一款高频交流电源，可以采用设计桥式逆变电路的方式或者是对高频小信号进行功率放大得到高频交流电源，然后再设计电磁发射系统和电磁接收系统，控制高频交流电源的频率，电磁发射系统谐振频率和电磁接收系统的谐振频率三者相同，同时为保证系统的稳定性，还要设计频率闭环控制系统，时刻检测电磁谐振系统的谐振频率使高频电源的频率与电磁谐振系统的谐振频率，防止失谐。根据以上设计步骤可以实现无线电能传输系统的设计，但整个装置部件很多，系统复杂，规模较大，设计成本高。其中防失谐系统，闭环频率跟踪系统的设计，难度较大，系统工作稳定性难以保证，而且许多磁耦合谐振式无线电能传输系统多设计成串联谐振式，少有使用并联谐振。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种磁耦合并联谐振式无线电能传输装置。

技术方案

一种磁耦合并联谐振式无线电能传输装置，其特征在于包括电源模块、频率跟随逆变电路模块和并联电磁谐振系统；所述频率跟随逆变电路模块包括两个相同的MOS管Q1和Q2，电感扼流圈RFC1和RFC2，钳位二极管D₃和D₄，偏置电阻R₁，R₂，R₃和R₄；所述并联电磁谐振系统包括L1，C1和L2，C2；具体连接关系为：电源两端并联四条串联电路：R₁与R₂串联，R₃与R₄串联，RFC1与MOS管Q1串联，RFC2与MOS管Q2串联，D₁为MOS管Q1的寄生二极管，D₂为MOS管Q2的寄生二极管；MOS管Q1的门极与R₁与R₂串联电路的中点连接，MOS管Q2的门极与R₃与R₄串联电路的中点连接，钳位二极管D₃与MOS管Q2的漏极连接，钳位二极管D₄与MOS管Q1的漏极连接，L1电感与C1电容并联后与MOS管Q1的漏极和MOS管Q2的漏极连接，L2电感与C2电容并联后与负载连接；所述D₁和D₂为MOS管Q1和Q2的寄生二极管；所述二极管D₃和D₄采用相同的二极管；所述高频电感扼流圈RFC₁和RFC₂采用相同的高频电感扼流圈；所述R₂与R₄阻值相同；所述L1电感与L2电感感值相同；所述C1电容与C2电容容值相同。

所述两个相同的MOS管Q1和Q2采用碳化硅开关管C2M0040120D。

所述二极管D₃和D₄采用二极管1N4148。

所述C1电容和C2电容采用相同的CBB电容。

所述R₁与R₃的阻值相同为200欧姆。

有益效果

本发明提出的一种磁耦合并联谐振式无线电能传输装置，有三个部分构成，1，电源模块；2，频率跟随逆变电路模块；3，并联电磁谐振系统。采用了一种频率跟随高频逆变电路，该逆变电路开关管的驱动信号由电路自身产生，无需高频信号产生模块，而且逆变频率可自动跟随输出端的并联LC网络的固有谐振频率，整个系统始终工作在谐振状态，无需设计防失谐系统，从而有效地解决了磁耦合谐振系统中的频率跟踪问题，而且整个系统结构简单，成本较低。

有益效果：

1，不需要闭环频率控制。目前常见的磁耦合谐振式无线电能传输系统，通常是利用高频逆变电路设计一个高频电源装置产生一定频率的高频交流电，使高频交流电的频率与电磁发射系统谐振频率和电磁接收系统的谐振频率相同，而且还要设计频率检测装置和闭环频率控制系统，使信号源频率时刻跟随电磁谐振系统频率，防止失谐，装置结构复杂，成本高，体积大。本发明的高频逆变电路产生的高频交流电源的频率始终与电磁发射系统谐振频率相同，不需要设计频率闭环控制系统，电路结构非常简单。

2，不需要产生高频信号产生装置。无论是桥式逆变电源还是E类功率放大器都需要产生一路或多路高频信号来控制开关管的开通和关断，本发明的开关管的驱动信号由电路本身产生，无需外接信号源，减少电路成本，降低结构复杂度。

3，电路结构简单，成本低。

附图说明

图1：无线电能传输系统结构图；

图2：无线电能传输系统具体电路设计图图；

图3：无线电能传输等效拓扑图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明主要有三个部分构成，1，电源模块；2，频率跟随逆变电路模块；3，并联电磁谐振系统。系统整体结构图参见附图1，该磁耦合并联谐振式无线电能传输装置主要由电源模块，逆变电路模块和并联电磁谐振系统组成。附图2是本发明的具体电路设计，系统的各部分的对应电路可参见附图2。

外部输入24V直流电是本发明的功率电源。

频率跟随逆变电路拓扑如图2，该高频逆变电路由外部直流电源供电，采用两个相同的MOS管Q₁和Q₂，RFC₁和RFC₂是电感扼流圈，相当于恒流源。MOS管结构有差异，同时因为二极管D₃，D₄的钳位作用，使这两个MOS管不可能同时开通，只能处于互补工作状态下，同一时刻下，一个处于开通状态，则另一个处于关断状态，D₁，D₂是MOS管的寄生二极管。先不考虑电磁接收系统，当Q₁管开通，Q₂管关断时，此时D₃关断，D₄开通，RFC₂给L₁，C₁并联谐振网络充电，L₁，C₁发生谐振，当C₁两端电压U_C1由正电压先增大后减小直到谐振为零或更低时，二极管D₃开通，将Q₁的门极电位拉低，Q₁关断，随之二极管D₄也关断，Q₂门极电位升高，Q₂开通，RFC₁开始L₁，C₁并联谐振网络反向充电，此时C₁两端电压U_C1为负，当U_C1由负电压再次谐振为0V时，二极管D₄开通，二极管D₃关断，使Q₂关断，Q₁开通，完成一个谐振周期。根据上述工作过程可知，该电路的逆变频率取决于L₁，C₁谐振网络的谐振频率，且自动跟随匹配电磁发射系统的固有频率，只需要使接收系统的谐振频率与发射系统的谐振频率一致，系统便可产生谐振。

并联电磁谐振系统参见图2，主要由L₁，C₁和L₂，C₂并联谐振网络构成，功率电源模块和频率跟随逆变电路模块可相当于交流电流源，此时系统可等效成附图3，附图3中的I_s由附图2中的功率电源模块和频率跟随逆变电路模块组成。

具体实施例中：

电源模块主要是本发明的驱动功率源，外部输入24V直流电源是本发明的功率电源。

频率跟随逆变电路中，选择开关管的要求是根据无线电能传输系统的工作频率，这里MOS管采用碳化硅开关管C2M0040120D，D₃和D₄采用二极管1N4148，RFC₁和RFC₂是相同的高频电感扼流圈，L₁和L₂是相同的电感发射线圈，C₁，C₂采用相同容值的CBB电容，R₁与R₃的阻值相同为200欧姆，R₂与R₄阻值相同为2000欧姆。具体实施过程如下：

电源上电后，Q₁，Q₂的电路构造完全对称，但因为Q₁，Q₂芯片差异，两个开关管不可能同时导通。假设Q₁管开通，Q₂管关断时，此时D₃关断，D₄开通，RFC₂给L₁，C₁并联谐振网络充电，L₁，C₁发生谐振，当C₁两端电压谐振为零或更低时，二极管D3开通，将Q₁的门极电位拉低，Q₁关断，随之二极管D₄也关断，Q₂门极电位升高，Q₂开通，RFC₁开始L₁，C₁并联谐振网络反向充电，此时C₁两端电压U_C1为负，当U_C1再次谐振为0V时，二极管D₄开通，二极管D3关断，使Q₂关断，Q₁开通，完成一个工作周期。

电路稳定工作时，电磁发射系统两端电压为高频交流电压，交流电压频率为C₁和L₁的并联谐振频率，即实现了频率跟随，电能传输过程如图3所示，本发明的功率电源和逆变电路可等效成一个高频交流电流源，高频交流电源自动跟随发射和接收系统的谐振频率，使发射线圈L₁与C₁谐振，发射线圈L₂与C₂谐振，线圈之间产生的磁场最强，通过磁场耦合作用，能量从发射端传递到接收端。

Claims (5)

1.一种磁耦合并联谐振式无线电能传输装置，其特征在于包括电源模块、频率跟随逆变电路模块和并联电磁谐振系统；所述频率跟随逆变电路模块包括两个相同的MOS管Q1和Q2，电感扼流圈RFC1和RFC2，钳位二极管D₃和D₄，偏置电阻R₁，R₂，R₃和R₄；所述并联电磁谐振系统包括L1，C1和L2，C2；具体连接关系为：电源两端并联四条串联电路：R₁与R₂串联，R₃与R₄串联，RFC1与MOS管Q1串联，RFC2与MOS管Q2串联，D₁为MOS管Q1的寄生二极管，D₂为MOS管Q2的寄生二极管；MOS管Q1的门极与R₁与R₂串联电路的中点连接，MOS管Q2的门极与R₃与R₄串联电路的中点连接，钳位二极管D₃的阴极与MOS管Q2的漏极连接，钳位二极管D₃的阳极与R₁和R₂串联电路的中点连接，钳位二极管D₄的阴极与MOS管Q1的漏极连接，钳位二极管D₄的阳极与R₃和R₄串联电路的中点连接，L1电感与C1电容并联后与MOS管Q1的漏极和MOS管Q2的漏极连接，L2电感与C2电容并联后与负载连接；所述二极管D₃和D₄采用相同的二极管；所述电感扼流圈RFC₁和RFC₂采用相同的高频电感扼流圈；所述R₂与R₄阻值相同；所述L1电感与L2电感感值相同；所述C1电容与C2电容容值相同。

2.根据权利要求1所述磁耦合并联谐振式无线电能传输装置，其特征在于：所述两个相同的MOS管Q1和Q2采用碳化硅开关管C2M0040120D。

3.根据权利要求1所述磁耦合并联谐振式无线电能传输装置，其特征在于：所述二极管D₃和D₄采用二极管1N4148。

4.根据权利要求1所述磁耦合并联谐振式无线电能传输装置，其特征在于：所述C1电容和C2电容采用相同的CBB电容。

5.根据权利要求4所述磁耦合并联谐振式无线电能传输装置，其特征在于：所述R₁与R₃的阻值相同为200欧姆。