CN107834859A - 双边lc型电场耦合式wpt系统恒流输出的参数设置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了双边LC型电场耦合式WPT系统恒流输出的参数设置方法，属于无线电能传输的技术领域。系统包括：高频全桥逆变电路、包含原边补偿电感和原边补偿电容的原边LC补偿网络、包含两块发射极板和两块接收极板的耦合电容板、包含副边补偿电感和副边补偿电容的副边LC补偿网络、全桥整流滤波电路，参数设置方法在保证负载所需恒定电流的前提下，以均衡原副边补偿网络电压应力为目标调整原副边LC补偿网络参数使系统输出负载所需的恒流并实现电路近似零无功环流和开关器件的软开关，使得耦合电容板自身无功功率最低，提高无线电能传输系统的效率及可靠性，减少成本，提高了传输功率等级。

Description

双边LC型电场耦合式WPT系统恒流输出的参数设置方法

技术领域

本发明公开了双边LC型电场耦合式WPT系统恒流输出的参数设置方法，属于无线电能传输的技术领域，适用于如LED供电和电池充电等需要恒定电流输出的应用场合。

背景技术

目前，国内对于无线电能传输(WPT，Wireless Power Transmission)技术的研究热点主要集中在磁场耦合方式。与磁场耦合相对偶的工作方式电场耦合以高频电场作为能量载体，高频交流电作用在发射极板上时，发射极板与接收极板间形成交互电场进而产生位移电流，实现了极板间的能量传输，具有可穿越金属隔离层、电磁辐射低、体积小等优点。

相较于磁场耦合式无线电能传输系统，电场耦合式无线电能传输系统的耦合系数较低，主要应用在短距离、低功率等级的场合。为提高系统的传输距离和功率等级，需要对耦合机构进行补偿。目前主要的补偿方式有直接串联电感的补偿方式、双边LC型补偿网络、LCL型补偿网络及LCLC型补偿网络等。

直接串联电感的补偿方式，具有电路结构简单的优点，但存在系统所需补偿电感的电感值较大且难以实现远距离、大功率传输的缺陷。为减小补偿电感的电感值、提高传输距离及功率等级，学者提出了双边LC型补偿网络，通过泵升耦合机构两端电压以实现系统传输功率等级的提升，但与此同时，耦合机构的电压应力增加，原副边补偿网络中某一元器件所承受的电压应力过大，加大了电路设计及绝缘设计的难度。为进一步优化电场耦合式无线电能传输系统的性能，学者提出了LCL型补偿网络及LCLC型补偿网络，但此类补偿网络结构复杂，分析困难。

本发明旨在优化双边LC型补偿网络的参数设计方法，以实现在保证输出所需恒流和输入零无功的前提下均衡原副边补偿网络的电压应力并减小耦合机构无功功率的发明目的。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了双边LC型电场耦合式WPT系统恒流输出的参数设置方法，在保证输出所需恒流和输入零无功的前提下既均衡了原、副边补偿网络的电压应力又减小了耦合机构的无功功率，解决了现有双边LC型补偿网络的耦合机构电压应力大、原副边补偿网络中某一元器件所承受的电压应力过大的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

双边LC型电场耦合式WPT系统恒流输出的参数设置方法，

双边LC型电场耦合式WPT系统包括：高频全桥逆变电路、包含原边补偿电感和原边补偿电容的原边LC补偿网络、包含两块发射极板和两块接收极板的耦合电容板、包含副边补偿电感和副边补偿电容的副边LC补偿网络、全桥整流滤波电路，原边补偿电感的一端与高频全桥逆变电路的一桥臂中点连接，原边补偿电感的另一端、原边补偿电容的一极均与耦合电容板的一块发射极板相连接，原边补偿电容的另一极、耦合电容板的另一块发射极板均与高频全桥逆变电路的另一桥臂中点相连接，副边补偿电容的一极、副边补偿电感的一端均与耦合电容板的一块接收极板相连接，副边补偿电感的另一端与全桥整流滤波电路的一桥臂中点连接，副边补偿电容的另一极、耦合电容板的另一块接收极板均与全桥整流滤波电路的另一桥臂中点相连接，全桥整流滤波电路的输出端接有负载，

参数设置方法具体为：根据系统工作角频率ω、输入电压V_IN、负载所需的恒定电流I_O并结合表达式：确定系统耦合系数k，在保证负载所需的恒定电流的前提下，以系统输出满载功率时仍能均衡原副边补偿网络的电压应力为目标，即，令U₁＝U₂，由表达式： 确定副边补偿电容C_ex2、副边补偿电感L₂、原边补偿电容C_ex1、原边补偿电感L₁， 其中，C_M为耦合电容板原副边的互容，U₁、U₂分别为原边补偿电容两端电压的幅值、副边补偿电容两端电压的幅值，C₁、C₂分别为系统原边等效电容、系统副边等效电容，C_P、C_S分别为耦合电容板的原边等效自容、副边等效自容，P_MAX为系统输出的满载功率。通过上述参数设计即可实现原副边补偿网络电压应力的均衡，避免原副边LC补偿网络中某一器件击穿，提高系统可靠性。

作为双边LC型电场耦合式WPT系统恒流输出的参数设置方法的进一步优化方案，耦合电容板上的无功功率Q_CM为： 表征了原副边补偿电容两端电压的相位差，Q_CM在设定原副边补偿电容两端电压的幅值相等时取得最小值，即，经过上述参数设定，耦合电容板自身无功功率最低，实现了耦合电容板所受应力最小的技术效果。

作为双边LC型电场耦合式WPT系统恒流输出的参数设置方法的更进一步优化方案，全桥整流滤波电路的输出端并接有输出滤波电容时，输入阻抗Z_IN为：R为负载的阻值，实现了电路的近似零无功环流。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明提出了双边LC型电场耦合式WPT系统恒流输出的参数设置方法，在保证负载所需恒定电流的前提下，以均衡原副边补偿网络电压应力为目标调整原副边LC补偿网络参数使系统输出负载所需的恒流并实现电路近似零无功环流和开关器件的软开关，解决了因原副边LC补偿网络中某一元器件应力过大而造成的电路设计及绝缘设计困难，提高无线电能传输系统的效率及可靠性，减少成本；

(2)以均衡原副边补偿网络电压应力为目标调整原、副边LC补偿网络参数，既保证了系统输出负载所需恒流又使得耦合电容板自身无功功率最低，即耦合电容板电压应力最小，提高传输功率等级。

附图说明

图1是双边LC型电场耦合式无线电能传输系统拓扑结构；

图2(a)、图2(b)是图1所示拓扑整流前后的电流和电压波形图；

图3输出电流为1.44A，负载电阻为16Ω时的v_gate、v_AB、i_IN和I_O波形；

图4输出电流为1.44A，负载电阻为32Ω时的v_gate、v_AB、i_IN和I_O波形；

图5是负载电阻为32Ω时的v_gate、v_CM、u₁和u₂波形；

图中标号说明：1为高频全桥逆变电路，2为原边LC补偿网络，3为耦合电容板，4为副边LC补偿网络，5为全桥整流滤波电路，Q₁、Q₂、Q₃、Q₄为第一、第二、第三、第四功率管，L₁为原边补偿电感，L₂为副边补偿电感，C_ex1为原边补偿电容，C_ex2为副边补偿电容，D₁、D₂、D₃、D₄为第一、第二、第三、第四二极管，C_o为输出滤波电容，R为负载。

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。

双边LC型电场耦合式WPT系统包括：高频全桥逆变电路1、包含原边补偿电感L₁和原边补偿电容C_ex1的原边LC补偿网络2、包含两块发射极板和两块接收极板的耦合电容板3、包含副边补偿电感L₂和副边补偿电容C_ex2的副边LC补偿网络4、全桥整流滤波电路5。原边补偿电感L₁的一端与高频全桥逆变电路中第一功率管Q₁、第三功率管Q₃所构成的桥臂的中点A连接，原边补偿电感L₁的另一端、原边补偿电容C_ex1的一极均与耦合电容板3的一块发射极板相连接，原边补偿电容C_ex1的另一极、耦合电容板3的另一块发射极板均与高频全桥逆变电路1中第二功率管Q₂、第四功率管Q₄所构成的桥臂的中点B相连接，副边补偿电容C_ex2的一极、副边补偿电感L₂的一端均与耦合电容板3的一块接收极板相连接，副边补偿电感L₂的另一端与全桥整流滤波电路5中第一二极管D₁、第三二极管D₃构成的桥臂的中点连接，副边补偿电容C_ex2的另一极、耦合电容板3的另一块接收极板均与全桥整流滤波电路5中第二二极管D₂、第四二极管D₄构成的桥臂的中点相连接，全桥整流滤波电路5的输出端接有负载R及输出滤波电容C_o。

本申请针对现有双边LC型补偿网络的耦合机构电压应力大、原副边补偿网络中某一元器件所承受的电压应力过大的缺陷，在保证输出所需恒流和输入零无功的前提下调整原副边LC补偿网络参数，调整原副边LC补偿网络参数的具体方法为：

根据已知的系统的工作角频率ω、输入电压V_IN、负载所需的恒定电流I_O并结合表达式：确定系统的耦合系数k；

为均衡原副边补偿网络的电压应力，令系统满载输出时U₁＝U₂，U₁为原边补偿电容C_ex1两端电压的幅值，U₂为副边补偿电容C_ex2两端电压的幅值，由表达式：确定副边补偿电容C_ex2、副边补偿电感L₂、原边补偿电容C_ex1、原边补偿电感L₁， 其中，C_M为耦合电容板原副边的互容，U₁、U₂分别为原边补偿电容两端电压的幅值、副边补偿电容两端电压的幅值，C₁、C₂分别为系统原边等效电容、系统副边等效电容，C_P、C_S分别为耦合电容板的原边等效自容、副边等效自容，P_MAX为系统输出的满载功率。

该参数设计方法以保证负载所需恒定电流为前提，以均衡原副边补偿网络电压应力为设计目标，避免原副边LC补偿网络中某一器件击穿，此时，输入阻抗Z_IN为纯阻性，实现电路近似零无功环流和开关器件的软开关。

该参数设计方法以保证负载所需恒定电流为前提，以均衡原副边补偿网络电压应力为设计目标，耦合电容板上的无功功率Q_CM为： 表征了原副边补偿电容两端电压的相位差当U₁＝U₂时，耦合电容板自身无功功率最低，即，通过上述参数设计可使耦合电容板所受应力最小。

图2(a)为图1所示的双边LC谐振网络的电场耦合式无线电能传输系统整流前后的电流波形，图2(b)为整流前后的电压波形，由于负载侧只有电容滤波，其整流前后的电压电流满足：

图3、图4验证上述参数设置方法的正确性，即系统可以输出并灵活调节与负载无关的恒流值且同时实现系统近似ZPA和开关器件的软开关。耦合电容板互容C_M＝160pF，耦合电容板的原副边等效自容C_P＝C_S＝165pF，等效自容输入电压V_IN＝24V，开关频率为203kHz，耦合系数系统输出电流副边补偿电容原边补偿电容原边补偿电感副边补偿电感设定I_O为1.44A，满载功率P_MAX＝66W，则耦合系数k＝0.0525，原边补偿电容C_ex1＝4053pF，副边补偿电容C_ex2＝2037pF，原边补偿电感L₁＝146.1μH，副边补偿电感L₂＝279.9μH。

图3和图4展示了负载电阻R分别为16Ω和32Ω时的驱动信号v_gate、桥臂电压v_AB、输入电流i_IN和输出电流I_O的波形。从图中可以看出，当负载电阻从16Ω变到32Ω时，输出电流I_O保持在1.44A，实现恒流；输入电流i_IN和桥臂电压v_AB同相，有效减少无功能量。

图5验证上述参数设置方法的正确性，即满载时，系统可以实现原副边补偿电容的电压均衡及金属电容板上电压应力最小，图5展示了负载电阻R为32Ω时的驱动信号v_gate、原边补偿电容电压u₁和副边补偿电容电压u₂的波形。从图中可以看出，u₁和u₂的幅值相同，实现电压均衡，u₁、u₂相位差约等于90°，实现金属电容板无功功率最低，即金属电容板上的电压应力最小。

Claims (3)

1.双边LC型电场耦合式WPT系统恒流输出的参数设置方法，

所述双边LC型电场耦合式WPT系统包括：高频全桥逆变电路(1)、包含原边补偿电感和原边补偿电容的原边LC补偿网络(2)、包含两块发射极板和两块接收极板的耦合电容板(3)、包含副边补偿电感和副边补偿电容的副边LC补偿网络(4)、全桥整流滤波电路(5)，原边补偿电感的一端与高频全桥逆变电路的一桥臂中点连接，原边补偿电感的另一端、原边补偿电容的一极均与耦合电容板(3)的一块发射极板相连接，原边补偿电容的另一极、耦合电容板(3)的另一块发射极板均与高频全桥逆变电路(1)的另一桥臂中点相连接，副边补偿电容的一极、副边补偿电感的一端均与耦合电容板(3)的一块接收极板相连接，副边补偿电感的另一端与全桥整流滤波电路(5)的一桥臂中点连接，副边补偿电容的另一极、耦合电容板(3)的另一块接收极板均与全桥整流滤波电路(5)的另一桥臂中点相连接，全桥整流滤波电路(5)的输出端接有负载，

其特征在于，所述方法具体为：在保证负载所需的恒定电流的前提下，以系统输出满载功率时仍能均衡原副边补偿网络的电压应力为目标确定副边补偿电容的电容值C_ex2、副边补偿电感的电感值L₂、原边补偿电容的电容值C_ex1、原边补偿电感的电感值L₁， 其中，ω为系统的工作角频率，I_O为负载所需的恒定电流，k为系统耦合系数，C_M为耦合电容板原副边的互容，C_P、C_S分别为耦合电容板的原边等效自容、副边等效自容，P_MAX为系统输出的满载功率。

2.根据权利要求1所述双边LC型电场耦合式WPT系统恒流输出的参数设置方法，其特征在于，耦合电容板上的无功功率Q_CM为：U₁、U₂分别为原边补偿电容两端电压的幅值、副边补偿电容两端电压的幅值，R为负载的阻值。

3.根据权利要求1或2所述双边LC型电场耦合式WPT系统恒流输出的参数设置方法，其特征在于，全桥整流滤波电路(5)的输出端并接有输出滤波电容时，输入阻抗Z_IN为：R为负载的阻值。