CN107800202A - 无线输电阻抗匹配及电压调节电路 - Google Patents

无线输电阻抗匹配及电压调节电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种无线输电阻抗匹配及电压调节电路，包括原边控制单元和副边控制单元；其中所述原边控制单元包括相互连接的正极输入端和负极输入端，所述正极输入端和所述负极输入端连接电源Vin；第一补偿电容Cp与第一谐振线圈Lp连接在所述正极输入端和所述负极输入端之间；所述副边控制单元包括相互连接的输出端正极和输出端负极；第二补偿电容CS与第二谐振线圈LS连接在所述输出端正极和所述输出端负极之间。与现有技术相比，本发明的有益效果如下：(1)集成有阻抗匹配和电压调节功能，能够追踪系统的最优效率；(2)原副边无需通信、控制容易；(3)结构紧凑，无需额外的DC‑DC调压和阻抗匹配电路，节约成本。

Description

无线输电阻抗匹配及电压调节电路
技术领域
本发明涉及电力电子变换技术领域的效率优化，特别是一种无线输电阻抗匹配及电压调节电路。
背景技术
无线电能传输技术的原理是电磁感应，通过耦合线圈间的磁场传递能量，能够避免有线连接引起的火花和触电危险，能够适应复杂的环境，并且具有极强的便捷性，因此在科研和工业领域都引起了极大的关注，并生产出了如无线充电手机、机器人，甚至是无线充电的电动汽车。
无线输电有两个比较重要的指标：传输功率和传输效率。高频系统(1兆赫兹以上)侧重于接收功率的提高，相应的提出了最大功率跟踪法；而频率较低的系统(10-100千赫兹)需要传输较大的功率，为了避免较大的功率损耗，因此需要保证较高的效率，相应的提出了最大效率跟踪法。虽然这两种方法的目标不同，但是都是基于阻抗匹配实现的。
常用的阻抗匹配的方法包括两大类：前级增加无源电路和保证副边的等效阻抗不变。无源电路主要是在前级增加电容阵列或者LC电路，确保输入端的等效阻抗不变，这种拓扑通常需要大量的电容、开关和控制器，因此会增大系统的体积、降低系统的可靠性；确保副边反射到原边的阻抗保持在最优的值主要有三种实现方式：第一种方式是变频，由于涉及调谐网络，控制很复杂且可能会造成效率下降；第二种方式是调整互感，但是如果系统参数改变的话阻抗不匹配的情况还是存在；第三种是负载变换，这种方式具有较强的操作性，当前很受欢迎。
经过对现有文献的检索发现，《Maximum energy efficiency tracking forwireless power transfer systems》和《Analysis and tracking of optimal load inwireless power transfer systems》等文章提出利用两级的Buck-Boost电路来分别实现阻抗匹配和电压，但是由于系统级联电路太多会导致整体效率下降，比如Buck和Boost电路的效率为97％(已经足够高了)，那么这两级的损耗就已经高达6％。
发明内容
本发明的目的在于提供一种紧凑的、能够实现阻抗匹配和输出电压调节的无线输电阻抗匹配及电压调节电路。
为解决上述技术问题，本发明提供一种无线输电阻抗匹配及电压调节电路，包括原边控制单元和副边控制单元；其中
所述原边控制单元包括相互连接的正极输入端和负极输入端，所述正极输入端和所述负极输入端连接电源Vin；
第一补偿电容Cp与第一谐振线圈Lp连接在所述正极输入端和所述负极输入端之间；
所述副边控制单元包括相互连接的输出端正极和输出端负极；
第二补偿电容CS与第二谐振线圈LS连接在所述输出端正极和所述输出端负极之间。
优选地，所述正极输入端包括：
第一场效应管S1，所述第一场效应管S1的漏极与所述电源Vin的正极连接；
第三场效应管S3，所述第三场效应管S3的漏极与所述电源Vin的正极连接。
优选地，所述负极输入端包括：
第二场效应管S2，所述第二场效应管S2的漏极与所述第一场效应管S1的源极连接，所述第二场效应管S2的源极与所述电源Vin的负极连接；
第四场效应管S4，所述第四场效应管S4的漏极与所述第三场效应管S3的源极连接，所述第四场效应管S4的源极与所述电源Vin的负极连接。
优选地，所述第一补偿电容CP的一端与所述第三场效应管S3的源极及所述第四场效应管S4的漏极连接；
所述第一补偿电容CP的另一端与所述第一谐振线圈LP的一端连接；
所述第一谐振线圈LP的另一端与所述第一场效应管S1的源极及所述第二场效应管S2的漏极连接。
优选地，在所述第一谐振线圈LP的另一端与所述第一场效应管S1的源极及所述第二场效应管S2的漏极之间连接有原边电阻RP。
优选地，所述输出端正极包括：
第五场效应管S5及第七场效应管S7；
第三滤波电容Cf，所述第三滤波电容Cf的正极与所述第五场效应管S5的漏极及所述第七场效应管S7的漏极连接；
负载电阻RL，所述负载电阻RL的一端与所述第五场效应管S5的漏极及所述第七场效应管S7的漏极连接。
优选地，所述输出端负极包括：
第六场效应管S6和第八场效应管S8；
所述第三滤波电容Cf的负极与所述第六场效应管S6的源极及所述第八场效应管S8的源极连接；
所述负载电阻RL的另一端与所述第六场效应管S6的源极及所述第八场效应管S8的源极连接。
优选地，所述第二补偿电容CS的一端与所述第七场效应管S7的源极及所述第八场效应管S8的漏极连接；
所述第二补偿电容CS的另一端与所述第二谐振线圈LS的一端连接；
所述第二谐振线圈LS的另一端与所述第五场效应管S5的源极及所述第六场效应管S6的漏极连接。
优选地，在所述第二谐振线圈LS的另一端与所述第五场效应管S5的源极及所述第六场效应管S6的漏极之间连接有副边电阻RS。
优选地，所述电源Vin为直流电源。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)集成有阻抗匹配和电压调节功能，能够追踪系统的最优效率；
(2)原副边无需通信、控制容易；
(3)结构紧凑，无需额外的DC-DC调压和阻抗匹配电路，节约成本。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征目的和优点将会变得更明显。
图1为本发明无线输电阻抗匹配及电压调节电路原理图；
图2为本发明无线输电阻抗匹配及电压调节电路原边移相控制示意图；
图3为本发明无线输电阻抗匹配及电压调节电路副边移相控制示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明无线输电阻抗匹配及电压调节电路，包括八只功率场效应管S1～S8、第一谐振线圈Lp(发射线圈)、第一补偿电容Cp(原边补偿电容)、第二谐振线圈LS(接收线圈)、第二补偿电容CS(副边补偿电容)、第三滤波电容Cf(电解电容)和负载电阻RL，其中硬件电路连接如下：
第一场效应管S1的漏极、第三场效应管S3的漏极与直流电源Vin的正极相连，形成高频逆变器的正极输入端。
第二场效应管S2的源极、第四场效应管S4的源极与直流电源Vin的负极相连，形成高频逆变器的负极输入端。
第一场效应管S1的源极、第二场效应管S2的漏极与第一补偿电容CP的一端相连，第一补偿电容CP的另一端与第一谐振线圈LP相连。在第一谐振线圈LP的另一端与第一场效应管S1的源极及第二场效应管S2的漏极之间连接有原边电阻RP。
第三场效应管S3的源极、第四场效应管S4的漏极与第一谐振线圈LP的另一端相连。
第五场效应管S5的源极、第六场效应管S6的漏极与第二补偿电容CS的一端相连，第二补偿电容CS的另一端与第二谐振线圈LS相连。在第二谐振线圈LS的另一端与第五场效应管S5的源极及第六场效应管S6的漏极之间连接有副边电阻RS。
第七场效应管S7的源极、第八场效应管S8的漏极与第二谐振线圈LS的另一端相连。
第五场效应管S5的漏极、第七场效应管S7的漏极、第三滤波电容Cf的正极与负载电阻RL的一端相连，形成直流输出端的正极。
第六场效应管S6的源极、第八场效应管S8的源极、第三滤波电容Cf的负极与负载电阻RL的另一端相连，形成直流输出端的负极。
本发明上述各部分电路构成了完整的双边移相控制的配套电路，加上原边控制器和副边控制器的移相调节，能够实现无线电能传输的阻抗匹配和输出电压调节。
如图2～图3所示，每一种系统参数都对应一个最优的副边移相角βOPT,当副边移相角等于这个值时，系统的传输效率最大，若要得到一个期望的输出电压，此时只要调节原边的移相角使其工作在相应的最优原边移相角αOPT即可。由于输出的功率是一定的，即使负载变化，输出功率也会很快就稳定在另一个值上，由于使用的是直流源供电，因此效率就是和输入电流成反比；而且针对固定的系统参数，原副边的移相角是一一对应的，只要确定了一个角，系统的工作点即确定了。基于这两点，本发明专利提出了双边移相无需控制的最小输入电流跟踪法：原边移相角α每次施加一个小的扰动δ，此时副边为保持期望的输出会调节副边的移相角β，经过一段时间后原边采样输入电流Iin，若输入电流减小，则说明效率增加，继续加强这个方向的扰动，若输入电流增加，则说明效率下降，则施加反方向的扰动信号。通过该方法，可以找到系统的最小输入电流点，即最大效率点，也能够获得期望的输出电压。
本发明可以应用于采用无线输电的应用领域，能够同时实现阻抗匹配和电压调节功能，具有能够追踪系统的最优效率、原副边无需通信、控制容易、结构紧凑，以及无需额外的DC-DC调压和阻抗匹配电路，节约成本。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种无线输电阻抗匹配及电压调节电路，其特征在于，包括原边控制单元和副边控制单元；其中
所述原边控制单元包括相互连接的正极输入端和负极输入端，所述正极输入端和所述负极输入端连接电源Vin；
第一补偿电容Cp与第一谐振线圈Lp连接在所述正极输入端和所述负极输入端之间；
所述副边控制单元包括相互连接的输出端正极和输出端负极；
第二补偿电容CS与第二谐振线圈LS连接在所述输出端正极和所述输出端负极之间。
2.根据权利要求1所述的无线输电阻抗匹配及电压调节电路，其特征在于，所述正极输入端包括：
第一场效应管S1，所述第一场效应管S1的漏极与所述电源Vin的正极连接；
第三场效应管S3，所述第三场效应管S3的漏极与所述电源Vin的正极连接。
3.根据权利要求2所述的无线输电阻抗匹配及电压调节电路，其特征在于，所述负极输入端包括：
第二场效应管S2，所述第二场效应管S2的漏极与所述第一场效应管S1的源极连接，所述第二场效应管S2的源极与所述电源Vin的负极连接；
第四场效应管S4，所述第四场效应管S4的漏极与所述第三场效应管S3的源极连接，所述第四场效应管S4的源极与所述电源Vin的负极连接。
4.根据权利要求3所述的无线输电阻抗匹配及电压调节电路，其特征在于，所述第一补偿电容CP的一端与所述第三场效应管S3的源极及所述第四场效应管S4的漏极连接；
所述第一补偿电容CP的另一端与所述第一谐振线圈LP的一端连接；
所述第一谐振线圈LP的另一端与所述第一场效应管S1的源极及所述第二场效应管S2的漏极连接。
5.根据权利要求4所述的无线输电阻抗匹配及电压调节电路，其特征在于，在所述第一谐振线圈LP的另一端与所述第一场效应管S1的源极及所述第二场效应管S2的漏极之间连接有原边电阻RP。
6.根据权利要求1所述的无线输电阻抗匹配及电压调节电路，其特征在于，所述输出端正极包括：
第五场效应管S5及第七场效应管S7；
第三滤波电容Cf，所述第三滤波电容Cf的正极与所述第五场效应管S5的漏极及所述第七场效应管S7的漏极连接；
负载电阻RL，所述负载电阻RL的一端与所述第五场效应管S5的漏极及所述第七场效应管S7的漏极连接。
7.根据权利要求6所述的无线输电阻抗匹配及电压调节电路，其特征在于，所述输出端负极包括：
第六场效应管S6和第八场效应管S8；
所述第三滤波电容Cf的负极与所述第六场效应管S6的源极及所述第八场效应管S8的源极连接；
所述负载电阻RL的另一端与所述第六场效应管S6的源极及所述第八场效应管S8的源极连接。
8.根据权利要求7所述的无线输电阻抗匹配及电压调节电路，其特征在于，所述第二补偿电容CS的一端与所述第七场效应管S7的源极及所述第八场效应管S8的漏极连接；
所述第二补偿电容CS的另一端与所述第二谐振线圈LS的一端连接；
所述第二谐振线圈LS的另一端与所述第五场效应管S5的源极及所述第六场效应管S6的漏极连接。
9.根据权利要求8所述的无线输电阻抗匹配及电压调节电路，其特征在于，在所述第二谐振线圈LS的另一端与所述第五场效应管S5的源极及所述第六场效应管S6的漏极之间连接有副边电阻RS。
10.根据权利要求1所述的无线输电阻抗匹配及电压调节电路，其特征在于，所述电源Vin为直流电源。
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