CN108448745B - 一种带保护的内馈式无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带保护的内馈式无线电能传输系统，包括启动电路、驱动电路、发射端阻抗匹配电路和发射线圈，还包括带有原边绕组N_P1、第一副边绕组N_S1和第二副边绕组N_S2的脉冲变压器T₁；所述驱动电路为自驱动功率半桥谐振电路，其包括相位相互正交的第一电路和第二电路；所述启动电路连接于所述原边绕组N_P1，两个所述副边绕组分别连接于第一电路和第二电路；所述启动电路还包括LC保护电路，所述LC保护电路并联于所述原边绕组N_P1的两端；采用包括LC保护电路的启动电路，使前级的启动过程平稳，并利于后级调谐，增加了用电设备的安全性，降低产品的成本，极大地拓宽无线电能传输技术的应用场合。

Description

一种带保护的内馈式无线电能传输系统

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种带保护的内馈式无线电能传输系统。

背景技术

近年来，各类电子电气设备得到了快速普及与发展，而用户对电能传输的安全性与可靠性提出了新的要求。传统插电式电能传输技术在充电时，存在火花及高压触电等安全隐患，使得系统安全性、可靠性以及使用寿命降低，并尚且难以达到一些特殊工业场合的安全要求。无线电能传输技术正是了为了弥补这些不足而被广泛探讨与研究的一种电能传输技术。

目前的无线充电技术采用的方式是无线电波技术、电磁感应技术和磁共振技术。无线电波技术是通过捕捉墙壁反弹回来的无线电波能量，但该充电方式效率比较低，应用到目前市场的无线充电设备还远远达不到预想的效果。而在无线充电设备上采用电磁感应技术基本可实现一对一的电能传输，但是该方式需要被充电设备精准对准发射线圈才能实现充电，而且其传输距离也相对较短，以上的种种弊端导致无线充电设备处于瓶颈期。与前两种充电方式不同是的是磁共振技术是指发射线圈与接收线圈间的频率一致即可传输电能，距离短的缺点可得到很好的改善，但其控制其谐振频率相对较难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带保护的内馈式无线电能传输系统，突破上述磁共振技术的局限性，采用距离更优、适应性更强的磁共振技术，克服高频下驱动电路设计复杂性，采用内馈式自驱动功率半桥谐振电路作为新型主拓扑，使其适用于中大功率的无线电能传输场合，采用包括LC保护电路的启动电路，使前级的启动过程平稳，并利于后级调谐，增加了用电设备的安全性，降低产品的成本，极大地拓宽无线电能传输技术的应用场合。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种带保护的内馈式无线电能传输系统，包括启动电路、驱动电路、发射端阻抗匹配电路和发射线圈，

还包括带有原边绕组N_P1、第一副边绕组N_S1和第二副边绕组N_S2的脉冲变压器T₁；

所述驱动电路为自驱动功率半桥谐振电路，其包括相位相互正交的第一电路和第二电路；

所述启动电路连接于所述原边绕组N_P1，两个所述副边绕组分别连接于第一电路和第二电路；

所述启动电路还包括LC保护电路，所述LC保护电路并联于所述原边绕组N_P1的两端。

可选的，所述第一副边绕组N_S1和第二副边绕组N_S2的两端电压幅值相等、相位相反。

可选的，所述发送端阻抗匹配电路为LCL谐振结构。

可选的，所述第一电路包括第一MOS管Q₁，所述第一副边绕组N_S1的两端分别连接于所述第一MOS管Q₁的栅极和源极。

可选的，所述第一电路还包括用于与第一副边绕组N_S1谐振的第二电容C₂、限幅稳压的第二二极管D₂和第三二极管D₃，所述第二电容C₂并联于所述第一副边绕组N_S1，所述第二二极管D₂和第三二极管D₃串联后并联于所述第一副边绕组N_S1。

可选的，所述第二电路包括第二MOS管Q₂，所述第二副边绕组N_S2的两端分别连接于所述第二MOS管Q₂的栅极和源极。

可选的，所述第二电路还包括用于与第二副边绕组N_S2谐振的第三电容C₃、限幅稳压的第四二极管D₄和第五二极管D₅，所述第三电容C₃并联于所述第二副边绕组N_S2，所述第四二极管D₄和第五二极管D₅串联后并联于所述第二副边绕组N_S2。

可选的，所述启动电路包括直流电压源V_DC、第一电阻R₁、第二电阻R₂、第一电容C₁、第六二极管D₆、双向触发管D₁、第二电感L₂和第十五电容C₁₅；

所述直流电压源V_DC的负极接地，所述直流电压源V_DC的正极连接于第一电阻R₁的第一端，第一电阻R₁的第二端连接于第二电阻R₂的第一端，第二电阻R₂的第二端连接于第一电容C₁的第一端，第一电容C₁的第二端接地，双向触发管D₁的第一端连接于第一电容C₁的第一端；

双向触发管D₁的第二端连接于第二电感L₂的第一端和第十五电容C₁₅的第一端，第十五电容C₁₅的第二端连接于原边绕组N_P1的第一端，原边绕组N_P1的第二端和第二电感L₂的第二端均接地；

所述第一电路包括与第一副边绕组N_S1谐振的第二电容C₂、限幅稳压的第二二极管D₂、第三二极管D₃和第一MOS管Q₁；

第一副边绕组N_S1的第一端连接于第二电容C₂的第一端、第二二极管D₂的第一端和第一MOS管Q₁的栅极，第一副边绕组N_S1的第二端连接于第二电容C₂的第二端、第三二极管D₃的第二端和第一MOS管Q₁的源极，第二二极管D₂的第二端和第三二极管D₃的第一端极性相反并相连接；

所述第二电路包括与第二副边绕组N_S2谐振的第三电容C₃、限幅稳压的第四二极管D₄、第五二极管D₅和第二MOS管Q₂；

第二副边绕组N_S2的第一端连接于第三电容C₃的第一端、第四二极管D₄的第一端和第二MOS管Q₂的栅极，第二副边绕组N_S2的第二端连接于第三电容C₃的第二端、第五二极管D₅的第二端和第二MOS管Q₂的源极，第四二极管D₄的第二端和第五二极管D₅的第一端极性相反并相连接；

第六二极管D₆的第一端连接于第一电阻R₁的第二端，第六二极管D₆的第二端连接于第一MOS管Q₁的源极和第二MOS管Q₂的漏极；

第一MOS管Q₁的漏极连接于第一电阻R₁的第一端；

第一副边绕组N_S1和第二副边绕组N_S2的两端电压幅值相等、相位相反；

发射端阻抗匹配电路包括第一电感L₁、第五电容C₅、第六电容C₆和第九电容C₉；

第一MOS管Q₁的源极连接于第九电容C₉的第一端，第九电容C₉的第二端连接于第一电感L₁的第一端，第一电感L₁的第二端连接于第五电容C₅的第一端和第六电容C₆的第一端，第五电容C₅的第二端连接于第二MOS管Q₂的源极，第五电容C₅的第二端还接地；

发射线圈的两端分别连接于第六电容C₆的第二端和第五电容C₅的第二端。

可选的，带保护的内馈式无线电能传输系统还包括过压和过流保护电路；

所述过压保护电路包括第三电感L₃、第六电阻R₆、第十三稳压管D₁₃、第七电阻R₇、第十三电容C₁₃、第十二电容C₁₂、第十二稳压管D₁₂、第十一二极管D₁₁、第八电阻R₈、第十一电容C₁₁、第五MOS管Q₅、第十二极管D₁₀、第八二极管D₈、第九电阻R₉、第十电容C₁₀、第四MOS管Q₄、第七二极管D₇；

所述第三电感L₃与第一电感L₁耦合，第三电感L₃的第一端接地，第三电感L₃的第二端连接于第六电阻R₆的第一端，第六电阻R₆的第二端连接于第十三稳压管D₁₃的第一端、第七电阻R₇的第一端、第十三电容C₁₃的第一端、第十二电容C₁₂的第一端和第十二稳压管D₁₂的第二端；

第十三稳压管D₁₃的第二端、第七电阻R₇的第二端、第十三电容C₁₃的第二端和第十二电容C₁₂的第二端相连接并接地；

第十二稳压管D₁₂的第一端连接于第十一二极管D₁₁的第二端，第十一二极管D₁₁的第一端连接于第八电阻R₈的第一端、第十一电容C₁₁的第一端和第五MOS管Q₅的栅极，第八电阻R₈的第二端、第十一电容C₁₁的第二端和第五MOS管Q₅的源极相连接并接地；

第五MOS管Q₅的漏极连接于第十二极管D₁₀的第一端，第十二极管D₁₀的第二端连接于第二MOS管Q₂的栅极；

第十一二极管D₁₁的第二端还连接于第八二极管D₈的第二端，第八二极管D₈的第一端连接于第九电阻R₉的第一端、第十电容C₁₀的第一端和第四MOS管Q₄的栅极，第九电阻R₉的第二端、第十电容C₁₀的第二端和第四MOS管Q₄的源极相连接并接地；

第四MOS管Q₄的漏极连接于第七二极管D₇的第二端，第七二极管D₇的第一端连接于第一电阻R₁的第二端。

所述过流保护电路包括第四电阻R₄、第十四极管D₁₄、第十四电容C₁₄、第九稳压管D₉、第五电阻R₅、第三电阻R₃和第三晶体管Q₃；

第四电阻R₄串联于第二MOS管Q₂的源极和第五电容C₅的第二端之间，第四电阻R₄的第一端连接于第十四二极管D₁₄的第一端，第十四二极管D₁₄的第二端连接于第十四电容C₁₄的第一端、第九稳压管D₉的第一端和第五电阻R₅的第二端，第十四电容C₁₄的第二端和第九稳压管D₉的第二端均接地；

第五电阻R₅的第一端连接于第三电阻R₃的第一端和第三晶体管Q₃的基极，第三电阻R₃的第二端连接连接于第三晶体管Q₃的发射极和第二MOS管Q₂的源极，第三晶体管Q₃的集电极连接于第二MOS管Q₂的栅极。

可选的，还包括接收端阻抗匹配电路，所述接收端阻抗匹配电路包括接收线圈和第七电容C₇，所述接收线圈的第一端连接于第七电容C₇的第一端，第七电容C₇的第二端连接于负载的第一端，负载的第二端连接于接收线圈的第二端，负载的第二端还接地。

本发明实施例具有以下有益效果：

本发明实施例中，相比现有技术而言，采用无外接反馈的内馈式的自驱动功率半桥谐振电路作为新型主拓扑，使其适用于中大功率的无线电能传输场合，采用包括LC保护电路的启动电路，使前级的启动过程平稳，并利于后级调谐，增加了用电设备的安全性，降低产品的成本，极大地拓宽无线电能传输技术的应用场合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为现有技术提供的一种AB类无线电能传输电路结构图。

图2为本发明实施例提供的无保护的内馈式无线电能传输系统的电路图。

图3为MOSFET开关管内部等效结构图。

图4为本发明实施例提供的带保护的内馈式无线电能传输系统的原理框图。

图5本发明实施例提供的不带过压和过流保护电路的内馈式无线电能传输系统的赋能过程图。

图6为本发明实施例提供的带保护的内馈式无线电能传输系统的电路图。

图7为本发明实施例提供的带保护的内馈式无线电能传输系统的工作频宽图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1为现有技术提供的一种AB类无线电能传输电路结构图。

其中，74HC240为8路三态反向缓冲器。

然而分析现有技术后，发现其存在以下三点缺点：

一、适应性不强，发射线圈要与接收线圈严格对准，才能达到最好的电能传输效果；

二、该磁谐振结构仅仅适用于小功率场合，而且发射端采用多级LC谐振结构，增加系统设计的复杂性与调试的难度；

三、MOS管工作的频宽非常窄，对谐振点很敏感，而且由于采用晶振与反相缓冲器相结合的驱动方式，其驱动电压不高，仅为5V左右，故MOS管工作在放大区，造成单位时间内通过MOS管的电流相对较大，所产生的功耗也随之增加，在较长的时间里，MOS管会明显发烫，甚至会存在烧毁MOS管的情况。

因此，本发明在带保护的内馈式无线电能传输系统采用的是带保护的内馈式的自驱动功率半桥谐振电路，可使带保护的内馈式无线电能传输系统应用于中大功率场合。对于自驱动功率半桥谐振电路中的MOS管，其驱动控制有两种方式：一是外加晶体振荡器或IC的他激驱动控制方式，二是自激驱动控制方式。他激电路的设计过程比较复杂，增加了设计难度与成本。而在自驱动控制方式中，需要把电路中某个信号反馈到驱动电路中，经过一定的变换即可得到需要的驱动信号。现有的自驱动控制方式需要通过电流互感器、变压器采样谐振电路中的谐振电压和电流，构成谐振电压/电流反馈电路控制MOS管的导通与关断。这种自激驱动控制方式由于需要增加额外的谐振电压/电流反馈电路，也在一定程度上增加了体积和成本。

另外，请参阅图2所示，该启动电路相对简单，但该方法所用的激励磁环温度特性较差，当初始通电启动触发时，双向触发二极管D₁瞬间导通所产生的强电流会对脉冲变压器T₁的原边绕组N_P1进行冲激，电感量会发生较大的变化，工作频率受其的影响大，使整体电路调试困难，常常导致电路失谐，进而影响其启动的过程。

针对上述缺点，本发明通过详细剖析MOS管内部结构、研究其内部寄生参数影响开关过程的工作机理，首次将一个带保护的内馈式的自驱动功率半桥谐振电路应用于无线电能传输系统领域，所提出的一种利用MOSFET管内部的寄生参数产生自激振荡驱动控制方式的电路简单、稳定以及可靠。

请参阅图3所示，图3为MOSFET开关管内部等效结构图。

这种新型的驱动控制方式由于直接利用的是MOSFET内部参数，无需额外增加反馈电路，不仅简化电路，而且还降低设计成本。此外，MOSFET内部寄生参数值相对很小，易于构设高频化的谐振结构从而提高本征频率，使开关频率达到MHz以上。由于功率半桥上下管输入电路的相位是严格正交关系，因此，功率半桥上下管的相互导通就完成了一次“拉”和“灌”的过程，形成功率的输出，从而为阻抗匹配的输入端提供一个高频方波，方波的频率取决于内馈式自激振荡驱动参数的设计。

另外，本发明技术方案的保护电路有两个方面：

其一是采用包括LC保护电路的启动电路，使前级的启动过程平稳，并利于后级调谐。

其二是采用过压和过流保护电路，提高整体电路工作的安全性与稳定性。

本发明提供的带保护的内馈式无线电能传输系统的阻抗匹配分为两部分：发射端阻抗匹配电路与接收端阻抗匹配电路。在整个系统中，阻抗匹配电路在电能传输过程中起到承上启下的作用，对于发射端阻抗匹配电路，其主要的作用是将电源所输入的电能通过LC串并联谐振转化为目标的高频电压与电流信号，加载到发射线圈中进而高效地发射出去。通过合理的设计发射端两级阻抗匹配谐振频点，可将系统的工作频率稍微错开，以拓宽无线能量系统的工作频宽，提高其可靠性与适应性。

另一方面，对于接收端阻抗匹配电路，通过合理设计接收线圈的电感值与尺寸，并合理选择与其匹配的电容参数，可使接收端在目标的谐振范围内获得更为理想的高频电压与电流信号，进而为负载提供充足的功率输出。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

请参阅图4所示，图4为本发明实施例提供的带保护的内馈式无线电能传输系统的原理框图。

该带保护的内馈式无线电能传输系统包括市电10、有源功率因数校正电路20、带保护的启动电路30、自驱动功率半桥谐振电路40、发射端阻抗匹配电路50、发射线圈60、接收线圈70、接收端阻抗匹配电路80、负载90和过压和过流保护电路100。

具体的，请参阅图5和图6所示。

为了更好的描述电路结构，将元件的左端或者上端定义为第一端，元件的右端或者下端定义为第二端。

该带保护的内馈式无线电能传输系统包括带有原边绕组N_P1、第一副边绕组N_S1和第二副边绕组N_S2的脉冲变压器T₁，自驱动功率半桥谐振电路40包括相位正交的第一电路和第二电路。

带保护的启动电路30接入原边绕组N_P1，两个副边绕组分别连接于第一电路和第二电路。

进一步的，第一副边绕组N_S1和第二副边绕组N_S2的两端电压幅值相等、相位相反。

带保护的启动电路30还包括LC保护电路，LC保护电路并联于原边绕组N_P1的两端，具体的，LC保护电路由第二电感L₂和第十五电容C₁₅构成。

进一步的，发送端阻抗匹配电路50为LCL谐振结构。

进一步的，带保护的启动电路30包括直流电压源V_DC、第一电阻R₁、第二电阻R₂、第一电容C₁、第六二极管D₆、双向触发管D₁、第二电感L₂和第十五电容C₁₅。

直流电压源V_DC的负极接地，直流电压源V_DC的正极连接于第一电阻R₁的第一端，第一电阻R₁的第二端连接于第二电阻R₂的第一端，第二电阻R₂的第二端连接于第一电容C₁的第一端，第一电容C₁的第二端接地，双向触发管D₁的第一端连接于第一电容C₁的第一端。

双向触发管D₁的第二端连接于第二电感L₂的第一端和第十五电容C₁₅的第一端，第十五电容C₁₅的第二端连接于原边绕组N_P1的第一端，原边绕组N_P1的第二端和第二电感L₂的第二端均接地。

第一电路包括与第一副边绕组N_S1谐振的第二电容C₂、限幅稳压的第二二极管D₂、第三二极管D₃和第一MOS管Q₁。

第一副边绕组N_S1的第一端连接于第二电容C₂的第一端、第二二极管D₂的第一端和第一MOS管Q₁的栅极，第一副边绕组N_S1的第二端连接于第二电容C₂的第二端、第三二极管D₃的第二端和第一MOS管Q₁的源极，第二二极管D₂的第二端和第三二极管D₃的第一端极性相反并相连接。

第二电路包括与第二副边绕组N_S2谐振的第三电容C₃、限幅稳压的第四二极管D₄、第五二极管D₅和第二MOS管Q₂。

第二副边绕组N_S2的第一端连接于第三电容C₃的第一端、第四二极管D₄的第一端和第二MOS管Q₂的栅极，第二副边绕组N_S2的第二端连接于第三电容C₃的第二端、第五二极管D₅的第二端和第二MOS管Q₂的源极，第四二极管D₄的第二端和第五二极管D₅的第一端极性相反并相连接。

第六二极管D₆的第一端连接于第一电阻R₁的第二端，第六二极管D₆的第二端连接于第一MOS管Q₁的源极和第二MOS管Q₂的漏极。

第一MOS管Q₁的漏极连接于第一电阻R₁的第一端。

第一副边绕组N_S1和第二副边绕组N_S2的两端电压幅值相等、相位相反；

发射端阻抗匹配电路包括第一电感L₁、第五电容C₅、第六电容C₆和第九电容C₉。

第一MOS管Q₁的源极连接于第九电容C₉的第一端，第九电容C₉的第二端连接于第一电感L₁的第一端，第一电感L₁的第二端连接于第五电容C₅的第一端和第六电容C₆的第一端，第五电容C₅的第二端连接于第二MOS管Q₂的源极，第五电容C₅的第二端还接地。

发射线圈的两端分别连接于第六电容C₆的第二端和第五电容C₅的第二端。

该内馈式无线电能传输系统还包括过压和过流保护电路100。

具体的，过压保护电路包括第三电感L₃、第六电阻R₆、第十三稳压管D₁₃、第七电阻R₇、第十三电容C₁₃、第十二电容C₁₂、第十二稳压管D₁₂、第十一二极管D₁₁、第八电阻R₈、第十一电容C₁₁、第五MOS管Q₅、第十二极管D₁₀、第八二极管D₈、第九电阻R₉、第十电容C₁₀、第四MOS管Q₄、第七二极管D₇。

第三电感L₃与第一电感L₁耦合，第三电感L₃的第一端接地，第三电感L₃的第二端连接于第六电阻R₆的第一端，第六电阻R₆的第二端连接于第十三稳压管D₁₃的第一端、第七电阻R₇的第一端、第十三电容C₁₃的第一端、第十二电容C₁₂的第一端和第十二稳压管D₁₂的第二端。

第十三稳压管D₁₃的第二端、第七电阻R₇的第二端、第十三电容C₁₃的第二端和第十二电容C₁₂的第二端相连接并接地。

第十二稳压管D₁₂的第一端连接于第十一二极管D₁₁的第二端，第十一二极管D₁₁的第一端连接于第八电阻R₈的第一端、第十一电容C₁₁的第一端和第五MOS管Q₅的栅极，第八电阻R₈的第二端、第十一电容C₁₁的第二端和第五MOS管Q₅的源极相连接并接地。

第五MOS管Q₅的漏极连接于第十二极管D₁₀的第一端，第十二极管D₁₀的第二端连接于第二MOS管Q₂的栅极。

第十一二极管D₁₁的第二端还连接于第八二极管D₈的第二端，第八二极管D₈的第一端连接于第九电阻R₉的第一端、第十电容C₁₀的第一端和第四MOS管Q₄的栅极，第九电阻R₉的第二端、第十电容C₁₀的第二端和第四MOS管Q₄的源极相连接并接地。

第四MOS管Q₄的漏极连接于第七二极管D₇的第二端，第七二极管D₇的第一端连接于第一电阻R₁的第二端。

进一步的，过流保护电路包括第四电阻R₄、第十四极管D₁₄、第十四电容C₁₄、第九稳压管D₉、第五电阻R₅、第三电阻R₃和第三晶体管Q₃。

第四电阻R₄串联于第二MOS管Q₂的源极和第五电容C₅的第二端之间，第四电阻R₄的第一端连接于第十四二极管D₁₄的第一端，第十四二极管D₁₄的第二端连接于第十四电容C₁₄的第一端、第九稳压管D₉的第一端和第五电阻R₅的第二端，第十四电容C₁₄的第二端和第九稳压管D₉的第二端均接地。

第五电阻R₅的第一端连接于第三电阻R₃的第一端和第三晶体管Q₃的基极，第三电阻R₃的第二端连接连接于第三晶体管Q₃的发射极和第二MOS管Q₂的源极，第三晶体管Q₃的集电极连接于第二MOS管Q₂的栅极。

该带保护的内馈式无线电能传输系统还包括接收端阻抗匹配电路80，接收端阻抗匹配电路80包括接收线圈和第七电容C₇，接收线圈的第一端连接于第七电容C₇的第一端，第七电容C₇的第二端连接于负载的第一端，负载的第二端连接于接收线圈的第二端，负载的第二端还接地。

进一步的，以下具体分析本发明实施例提供的带保护的内馈式无线电能传输系统的工作原理。

带保护的启动电路30的工作原理为：

直流电压源V_DC通过第一电阻R₁和第二电阻R₂对第一电容C₁进行充电，第一电容C₁两端的电压开始上升，当第一电容C₁两端的电压V_C1高于双向触发管D₁的正向转折电压V_BO时，会产生原始单次脉冲信号激发脉冲变压器T₁原边。由于第二电感L₂与第十五电容C₁₅的存在，该强电流冲激信号并不会立刻对脉冲变压器T₁的原边绕组N_P1产生不利的冲激，而是将该强电流冲激信号转移到第二电感L₂上，避免了由于强电流冲激而造成脉冲变压器T₁的原边绕组N_P1产生直流偏磁和磁饱和的情况，实现了在启动过程中很好的保护目的。

当稳定的启动信号在脉冲变压器T₁的原边绕组N_P1快速产生一个上正下负的感应电动势，于是在脉冲变压器T₁的副边绕组N_S1和N_S2也会感应出两个幅度大小相同、相位完全相反的正弦波电压，并通过第二二极管D₂、第三二极管D3、第四二极管D4及第五二极管D₅实现限压保护，使与原边绕组N_P1同相位的第一MOS管Q₁导通，而与原边绕组N_P1完全相反相位的第二MOS管Q₂截止。

自驱动功率半桥谐振电路40的工作原理为：

当与原边绕组N_P1同相位的第一MOS管Q₁受到原始脉冲触发信号的激发导通后，第一MOS管Q₁的漏极与源极之间的电压增量dv/dt迅速下降，与此同时，电流增量di/dt却迅速递增，迅变电流与电容电压梯度的关系为：i＝C*(dv/dt)，di/dt为MOS管漏、源极之间的雪崩电流对时间的增量。

图5中，箭头A表示电流方向。

第一MOS管Q₁受到单次原始脉冲冲激而导通时，此时第二MOS管Q₂是截止状态的，故第一MOS管Q₁产生的递增电流流过第一MOS管Q₁，并且部分递增电流会通过第二MOS管Q₂内部的寄生米勒电容C_rss2对栅极角电容C_gs2进行充电，由于它与原始的单次脉冲有着确定的相位，确保第一MOS管Q₁继续导通，因此，通过第一MOS管Q₁漏源极电流会持续给栅源极角电容C_gs2进行赋能，从而维持激磁线圈次级回路与栅源极角电容C_gs2本征频率的振荡，并使第一MOS管Q₁的漏源极进一步导通。由于两个副边绕组上在自激振荡过程中，实际上是作为一个整体，只需要对任何一个MOS管赋能，也就是对整体自激振荡实现了赋能，故第一MOS管Q₁导通，实际是对第二MOS管Q₂实现赋能，同理可知，第二MOS管的Q₂导通，实际是对第一MOS管Q₁实现赋能，从而维持该自激电路的振荡。

第一MOS管Q₁导通后所得的迅变电流流过电感L₁和电容C₅到地，完成一次“拉”动作。由于驱动波形为正弦，故半个周期之后，第一MOS管Q₁的相位变为负，第一MOS管Q₁进入截止状态，而第二MOS管Q₂的相位变为正，即第二MOS管Q₂在下半周期开始导通，同样也会产生一个迅变电流，该迅变电流流过第一电感L₁和第五电容C₅，通过导通的第二MOS管Q₂对地回路迅速放电，完成一次“灌”动作。

因此，当第一MOS管Q₁导通时，第二MOS管Q₂是截止的；当第二MOS管Q₂导通时，第一MOS管Q₁是截止的。重复上述周期，二者的相互交替导通，可实现从功率半桥自激振荡电路的中点输出方波电压信号，其幅值为V_DC-I*R_ON，其中V_DC为电源电压，I为迅变电流，R_ON为MOS管的导通电阻，经过第一电感L₁和第五电容C₅实现一级选频回路，形成所需的正弦波电压信号。对于无线电能传输线圈而言，其实际可等效为一个电感，故从电容C₅得到的正弦波电压信号会继续经过电容C₆和发射线圈，实现选频回路，进而将电能量转变为交变的磁场能发射出去。通过两级的选频网络，扩大该电路的工作频宽，使其能适应在较宽的工作频率下正常运行。

由于第一MOS管Q₁与第二MOS管Q₂在自激振荡的赋能过程是作为一个整体进行相互作用的。第一MOS管Q₁导通是对第二MOS管Q₂的赋能，而第二MOS管Q₂的导通是对第一MOS管Q₁的赋能，而在电路上，两个副边绕组的电感参数为L＝L_NS1＝L_NS2，微调电容C＝C₂＝C₃，同型号的MOS管内部的寄生参数是相等的，且C_iss＝C_rss+C_gs，故该自激振荡的工作频率可近似计算为：

发射端阻抗匹配电路50和接收端阻抗匹配电路80的工作原理为：

本实施例的阻抗匹配电路有两部分，其中一部分是发射端阻抗匹配电路50，另一部分是接收端阻抗匹配电路80。由于都是采用LC串联或并联谐振结构，故其谐振频率的基本计算公式为：

在实际的电路中，发射线圈60与接收线圈70实际上是以一个电感的形式存在。因此，对于发射端阻抗匹配电路，其谐振电路的结构为LCL结构，由串联谐振与并联谐振构成，前级的阻抗匹配滤波电路由第一电感L₁和第五电容C₅串联谐振构成，其谐振频率f₁计算可表示为：

而后级的阻抗匹配滤波电路包括两部分的谐振频率，其一为发射线圈60电感L_T-coil、第六电容C₆串联联谐振组成，其谐振频率f₂计算可表示为：

其二为发射线圈60电感L_T-coil、第五电容C₅和第六电容C₆并联谐振组成，其谐振频率f₃计算可表示为：

因此，上述三个谐振频点之间的关系为：

f₁<f₂<f₃

请参阅图7所示，故可通过合理选择发射端阻抗匹配电路的参数：第一电感电感L₁、发射线圈电感L_T-coil、第五电容C₅与第六电容C₆，可将谐振频率f₁与谐振频率f₃稍微错开，使前面已确定的功率半桥自激振荡的本征频率f_o落在[f1，f3]范围内，从而可获得较宽的工作频宽，提高电路的可靠性与适应性。

另外，发射端阻抗匹配电路50应根据无线发射的特性进行合理设计，先构设低Q值的电压谐振，使电路稳定工作，工作的频率带宽展宽，Q为品质因数。后续再用高Q值电压谐振与高频电流谐振，从而使发射的射程更远，同时可以形成较宽带宽的电流谐振，使电路工作稳定并有效地进行无线电能的传输。品质因数Q的计算表达式如下：

对于接收端阻抗匹配电路80，采用的谐振结构是LC，故其谐振频率f₄计算公式为：

本发明电路的另两个重要的保护电路是过压和过流保护电路100。

①过压保护电路工作原理为：

该过电压保护电路由两部分构成。当后级阻抗匹配电路在过压情况下工作异常时，第二电感L₂会将该异常的过电压信号反馈到过压保护电路的输入端，即通过第六电阻R₆和第七R₇实现分压，取部分的正弦感应电压作为输入信号。

而该输入正弦电压信号会分别进入两个保护电路。

一部分是通过第十一二极管D₁₁实现半波整流，通过第十一电容C₁₁获得第五MOS管Q₅所需的直流电压驱动信号，使第五MOS管Q₅导通，从而将第二MOS管Q₂的驱动信号拉为低电平，达到过电压保护的目的。

另一部分是通过第八二极管D₈实现半波整流，通过第十电容C₁₀获得第四MOS管Q₄所需的直流电压驱动信号，使第四MOS管Q₄导通，导致启动电路中的第一电容C₁会通过第二电阻R₂和第七二极管D₇对地进行放电，从而有效地关闭启动电路，达到过压保护的目的。而第十二稳压管D₁₂和第十三稳压管D₁₃的作用是防止当取样的过压异常信号过高时，对后级的两个保护电路实现保护作用。

因此，该过压保护电路具有双重保护的作用，提高了整体电路工作的可靠性与安全性。

②过流保护电路工作原理为：

当后级阻抗匹配电路过电流时，该电流会通过第四电阻R₄和第十四二极管D₁₄对第十四电容C₁₄进行充电，当第十四电容C₁₄端的电压V_C14达到一定设定值时，通过第三电阻R₃和第五电阻R₅进行分压，为第三晶体管Q₃提供合理的直流偏置电路，使第三晶体管Q₃导通，进而将第二MOS管Q₂的驱动信号拉低，达到最终的过流保护的目的。而第九稳压管D₉起到的作用是在合理的电压范围内，对第三晶体管Q₃实现过压保护。

本实施例提供的带保护的内馈式无线电能传输系统，采用无外接反馈的内馈式的自驱动功率半桥谐振电路40作为新型主拓扑，以此可简化驱动电路的设计成本以及提高在高频化设计过程中的可靠性。另外，该带保护的内馈式无线电能传输系统的传输效率和功率与发射端阻抗匹配电路50、接收端阻抗匹配电路80的参数选择密切相关。

因此，本发明实施例提供的带保护的内馈式无线电能传输系统，其电路中只采用二阶变换，所以电转换效率高，MOS管的温升低，适用于中大功率应用场合。

无外接反馈的内馈式的自驱动功率半桥振荡电路40可简化驱动电路设计成本，正弦波的驱动波形可减缓驱动信号对后级功率半桥振荡电路的冲击，可实现开关管的软启动以及零电压开关，从而提高带保护的内馈式无线电能传输系统的整体工作效率，并在高频化设计中增强系统的工作可靠性。

发射端阻抗匹配电路50采用LCL谐振结构可拓宽该系统的工作频宽，使其具有较宽的工作频宽，进而提高系统的工作适应性。构设的阻抗匹配从低Q值到高Q值的过渡，使电路工作稳定并有效地进行无线电能的传输；

带保护的内馈式无线电能传输系统的启动电路中包括LC保护电路，避免了由于强电流冲激而造成脉冲变压器T₁的原边绕组N_P1产生直流偏磁和磁饱和的情况，实现了在启动过程中很好的保护目的。

带保护的内馈式无线电能传输系统的输出端采用过流保护电路和具有双重保护功能的过压保护电路，提高了整体电路工作的可靠性与安全性。

相比现有技术而言，采用带保护的内馈式的自驱动功率半桥谐振电路40作为新型主拓扑，使其适用于中大功率的无线电能传输场合，增加了用电设备的安全性，降低产品的成本，极大地拓宽无线电能传输技术的应用场合；采用带保护的启动电路30，可有效地避免直流偏磁与磁饱和所引起脉冲变压器T₁的原边绕组N_P1电感量异常变化，使工作频率稳定，并易于实现启动；输出端采用过电流电路和具有双重保护功能的过电压保护电路，即三重保护功能，提高整体电路工作的可靠性与安全性。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种带保护的内馈式无线电能传输系统，包括启动电路、驱动电路、发射端阻抗匹配电路和发射线圈，其特征在于：

还包括带有原边绕组N_P1、第一副边绕组N_S1和第二副边绕组N_S2的脉冲变压器T₁；

所述驱动电路为自驱动功率半桥谐振电路，其包括相位相互正交的第一电路和第二电路；

所述启动电路连接于所述原边绕组N_P1，两个所述副边绕组分别连接于第一电路和第二电路；

所述启动电路还包括LC保护电路，所述LC保护电路并联于所述原边绕组N_P1的两端；

所述启动电路包括直流电压源V_DC、第一电阻R₁、第二电阻R₂、第一电容C₁、第六二极管D₆、双向触发管D₁、第二电感L₂和第十五电容C₁₅；

所述直流电压源V_DC的负极接地，所述直流电压源V_DC的正极连接于第一电阻R₁的第一端，第一电阻R₁的第二端连接于第二电阻R₂的第一端，第二电阻R₂的第二端连接于第一电容C₁的第一端，第一电容C₁的第二端接地，双向触发管D₁的第一端连接于第一电容C₁的第一端；

双向触发管D₁的第二端连接于第二电感L₂的第一端和第十五电容C₁₅的第一端，第十五电容C₁₅的第二端连接于原边绕组N_P1的第一端，原边绕组N_P1的第二端和第二电感L₂的第二端均接地；

所述第一电路包括与第一副边绕组N_S1谐振的第二电容C₂、限幅稳压的第二二极管D₂、第三二极管D₃和第一MOS管Q₁；

第一副边绕组N_S1的第一端连接于第二电容C₂的第一端、第二二极管D₂的第一端和第一MOS管Q₁的栅极，第一副边绕组N_S1的第二端连接于第二电容C₂的第二端、第三二极管D₃的第二端和第一MOS管Q₁的源极，第二二极管D₂的第二端和第三二极管D₃的第一端极性相反并相连接；

所述第二电路包括与第二副边绕组N_S2谐振的第三电容C₃、限幅稳压的第四二极管D₄、第五二极管D₅和第二MOS管Q₂；

第二副边绕组N_S2的第一端连接于第三电容C₃的第一端、第四二极管D₄的第一端和第二MOS管Q₂的栅极，第二副边绕组N_S2的第二端连接于第三电容C₃的第二端、第五二极管D₅的第二端和第二MOS管Q₂的源极，第四二极管D₄的第二端和第五二极管D₅的第一端极性相反并相连接；

第六二极管D₆的第一端连接于第一电阻R₁的第二端，第六二极管D₆的第二端连接于第一MOS管Q₁的源极和第二MOS管Q₂的漏极；

第一MOS管Q₁的漏极连接于第一电阻R₁的第一端；

第一副边绕组N_S1和第二副边绕组N_S2的两端电压幅值相等、相位相反；

发射端阻抗匹配电路包括第一电感L₁、第五电容C₅、第六电容C₆和第九电容C₉；

第一MOS管Q₁的源极连接于第九电容C₉的第一端，第九电容C₉的第二端连接于第一电感L₁的第一端，第一电感L₁的第二端连接于第五电容C₅的第一端和第六电容C₆的第一端，第五电容C₅的第二端连接于第二MOS管Q₂的源极，第五电容C₅的第二端还接地；

发射线圈的两端分别连接于第六电容C₆的第二端和第五电容C₅的第二端；

还包括接收端阻抗匹配电路，所述接收端阻抗匹配电路包括接收线圈和第七电容C₇，所述接收线圈的第一端连接于第七电容C₇的第一端，第七电容C₇的第二端连接于负载的第一端，负载的第二端连接于接收线圈的第二端，负载的第二端还接地。

2.根据权利要求1所述的带保护的内馈式无线电能传输系统，其特征在于，还包括过压和过流保护电路；

所述过压保护电路包括第三电感L₃、第六电阻R₆、第十三稳压管D₁₃、第七电阻R₇、第十三电容C₁₃、第十二电容C₁₂、第十二稳压管D₁₂、第十一二极管D₁₁、第八电阻R₈、第十一电容C₁₁、第五MOS管Q₅、第十二极管D₁₀、第八二极管D₈、第九电阻R₉、第十电容C₁₀、第四MOS管Q₄、第七二极管D₇；

所述第三电感L₃与第一电感L₁耦合，第三电感L₃的第一端接地，第三电感L₃的第二端连接于第六电阻R₆的第一端，第六电阻R₆的第二端连接于第十三稳压管D₁₃的第一端、第七电阻R₇的第一端、第十三电容C₁₃的第一端、第十二电容C₁₂的第一端和第十二稳压管D₁₂的第二端；

第十三稳压管D₁₃的第二端、第七电阻R₇的第二端、第十三电容C₁₃的第二端和第十二电容C₁₂的第二端相连接并接地；

第十二稳压管D₁₂的第一端连接于第十一二极管D₁₁的第二端，第十一二极管D₁₁的第一端连接于第八电阻R₈的第一端、第十一电容C₁₁的第一端和第五MOS管Q₅的栅极，第八电阻R₈的第二端、第十一电容C₁₁的第二端和第五MOS管Q₅的源极相连接并接地；

第五MOS管Q₅的漏极连接于第十二极管D₁₀的第一端，第十二极管D₁₀的第二端连接于第二MOS管Q₂的栅极；

第十一二极管D₁₁的第二端还连接于第八二极管D₈的第二端，第八二极管D₈的第一端连接于第九电阻R₉的第一端、第十电容C₁₀的第一端和第四MOS管Q₄的栅极，第九电阻R₉的第二端、第十电容C₁₀的第二端和第四MOS管Q₄的源极相连接并接地；

第四MOS管Q₄的漏极连接于第七二极管D₇的第二端，第七二极管D₇的第一端连接于第一电阻R₁的第二端；

所述过流保护电路包括第四电阻R₄、第十四极管D₁₄、第十四电容C₁₄、第九稳压管D₉、第五电阻R₅、第三电阻R₃和第三晶体管Q₃；

第四电阻R₄串联于第二MOS管Q₂的源极和第五电容C₅的第二端之间，第四电阻R₄的第一端连接于第十四二极管D₁₄的第一端，第十四二极管D₁₄的第二端连接于第十四电容C₁₄的第一端、第九稳压管D₉的第一端和第五电阻R₅的第二端，第十四电容C₁₄的第二端和第九稳压管D₉的第二端均接地；

第五电阻R₅的第一端连接于第三电阻R₃的第一端和第三晶体管Q₃的基极，第三电阻R₃的第二端连接连接于第三晶体管Q₃的发射极和第二MOS管Q₂的源极，第三晶体管Q₃的集电极连接于第二MOS管Q₂的栅极。