CN108494110A - 多负载谐振型无线充电系统电磁干扰预测电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多负载谐振型无线充电系统电磁干扰预测电路及方法，包括谐振网络以及连接在谐振网络输入端的输入侧逆变电路，输入侧逆变电路的输入端连接有直流输入电源；还包括连接在谐振网络输出端的输出侧整流电路以及并联在输出侧整流电路上的滤波电容；本发明在系统建立之前，建立系统电磁干扰预测电路并进行预测，直观地反映出系统电磁干扰的严重程度，并在搭建试验平台前对系统参数与模型进行优化，降低其电磁干扰。

Description

多负载谐振型无线充电系统电磁干扰预测电路及方法

技术领域

本发明属于电力电子电磁干扰研究领域，涉及一种多负载谐振型无线充电系统电磁干扰预测电路及方法。

背景技术

随着日益对能源与环境问题的热议，无线充电系统以其安全、便捷、适用场合广泛，节约资源等优势引起了人们的关注。无线充电系统现今被广泛应用各个领域，尤其是在在电动汽车的充电、植入式医疗器械的供电以及其他消费类电子产品中，例如电动牙刷、手机等。然而在使用过程中，该系统产生的电磁干扰问题也引起了越来越多的关注。

关于无线充电系统的电磁干扰问题，国内外学者在相关方面的进行了很多研究，包括对无线充电的电磁环境的屏蔽进行的探索。目前，已公开的发明专利如：《用于控制无线功率传输系统中的干扰的方法和设备》发明了一种功率传输单元(PTU)的干扰控制方法，可以确定PTU是否处于干扰环境中，最终控制邻近PTU和功率接收单元(PRU)中的任意一个或两个的通信参数；《用于无线功率传输系统的谐波消减设备》设计了一种耦合在开关网络和发送器线圈之间的谐波消减设备的装置，此谐波消减设备被配置为对至少一个频率分量进行衰减；《安装在车辆内的设计为减少电磁干扰的无线电池充电装置》提供了一种安装在车辆内为减少电磁干扰的无线电池充电装置，用于减少由无线电池充电器辐射引起的电磁干扰的静电防护。

上述专利中提及的方法主要针对系统建立完成后进行电磁干扰抑制、消减、控制及屏蔽，无法对系统本身设计参数进行修改和调整。

发明内容

为了直观了解含多个负载的串联谐振式无线充电系统的电磁干扰情况，为后续的系统设计和提高功率效率做出指导，本发明的目的是提供一种多负载谐振型无线充电系统电磁干扰预测电路及方法，在系统建立之前，建立系统电磁干扰预测电路并进行预测，直观地反映出系统电磁干扰的严重程度，并在搭建试验平台前对系统参数与模型进行优化，降低其电磁干扰。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，多负载谐振型无线充电系统电磁干扰预测电路，包括谐振网络以及连接在谐振网络输入端的输入侧逆变电路，输入侧逆变电路的输入端连接有直流输入电源；还包括连接在谐振网络输出端的输出侧整流电路以及并联在输出侧整流电路上的滤波电容；

其中，谐振网络包括与输入侧逆变电路连接的发射测谐振网络以及与输出侧整流电路连接的接收侧谐振网络，发射侧谐振网络和接收侧谐振网络之间连接有寄生电容；

输出侧整流电路与接收侧谐振网络组成接收侧电路，接收侧电路的个数为n，n≥2。

输入侧逆变电路为半桥逆变电路，半桥逆变电路包括两个串联的开关管，每个开关管的源极和漏极之间均连接有电容，半桥中心即两个开关管连接中点与地之间连接有对地电容；发射侧谐振网络包括串联的电容、电感和电阻组成的发射线圈，发射线圈连接在两个开关管连接中点与直流输入电源负极之间；

输出侧整流电路选择全桥整流电路，四个二极管采用两两串联后并联的连接方式，且每个二极管正负极之间都并联电容，每个桥臂中点与地之间连接都有对地电容，接收侧谐振网络包括串联的电容、电感和电阻组成的接收线圈，接收线圈连接在全桥整流电路的两个桥臂中点之间。

所述滤波电容包括高频滤波电容和低频滤波电容。

输出侧整流电路为全桥整流电路。

发射侧谐振网络和接收侧谐振网络之间的寄生电容连接在发射侧谐振网络和接收侧谐振网络的电感之间。

本发明还提供了一种多负载谐振型无线充电系统电磁干扰预测方法，包括以下步骤：

步骤1：确定无线充电系统的工作参数，包括输入电压U与工作频率f及负载个数n及各负载阻值R_L1～R_Ln；

步骤2：根据步骤1确定的工作参数，确定谐振网络参数，包括发射侧谐振电感L_p，谐振电容C_p，第n个负载R_Ln接收侧谐振电感L_sn，谐振电容C_sn，n≥2；

步骤3：根据步骤2确定的线圈谐振网络参数，确定线圈之间的耦合参数，包括耦合系数k1～kn，发射侧与第一个接收侧线圈间的耦合系数为k1，发射侧与第n个接收侧线圈间的耦合系数为kn；M₁为发射线圈与第1个负载R_L1接收线圈的耦合系数的互感，M_n为发射线圈与第n个负载R_Ln接收线圈的耦合系数的互感，谐振线圈间的互感与耦合系数以及线圈电感值满足以下关系：

步骤4：建立系统电磁干扰模型，确定寄生电容参数；

电路中各器件的寄生参数确定方法如下：

(1)对于线圈间的寄生电容参数，其大小根据平板电容如下计算公式得到：

其中，S为电容器两极板的正对面积，d为电容器两极板之间的距离，ε为介电常数，k₁为静电常数；

(2)对于开关器件和二极管的寄生电容参数，通过查找器件手册MOSFET开关管得出板间相对面积和板间距，根据公式(3)计算出其等效对地寄生电容C_q取值，同理计算出二极管的对地寄生电容的值；

步骤5：利用步骤4中建立的电磁干扰模型进行仿真，得出功率较大时输入侧、输出侧共模和差模干扰信号的波形。

步骤2中，线圈谐振网络参数与工作频率f相关，根据选择电容值绕制相应电感值的电感，满足以下关系：

第n个接收侧谐振网络参数满足以下关系：

jωL_sn＝1/jωC_sn (1)

发射侧谐振网络参数满足以下关系：

jωL_p＝1/jωC_p (4)

其中，ω＝2πf。

步骤3中，线圈耦合系数由线圈间距离、相对位置及周围磁介质的性质决定。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本预测方法可用于指导多负载型无线充电系统进行系统参数设计，节约无线充电类产品系统设计的时间，推进研发过程；本预测方法可在实际装置投入使用之前对系统电磁干扰进行预测分析，节省产品在生产过程中的试验成本，节约资源，有巨大的经济效益；本预测方法也可用于对小功率便携式无线充电类产品电磁干扰抑制方法的研究，有利于节约设计时间、资源，效果显著。

附图说明

图1为含两个负载的系统电磁干扰模型电路结构示意图；

图2为本发明含两个负载时的系统输入侧共模干扰结果；

图3为本发明含两个负载时的系统输入侧差模干扰结果。

具体实施方式

以下结合附图和实施例作对本发明做进一步详细说明。

本实施例中，本发明以含两个负载的无线充电系统模型为例，来说明预测电磁干扰的结果。

本发明系统电路如图1所示。输入电压为直流，输入侧逆变电路选择半桥逆变电路，经谐振网络传递能量，输出侧整流电路选择全桥整流电路，经电容滤波，输出电压为直流。L_p、C_p组成发射侧谐振网络，R_p为发射线圈的等效串联电阻。多个负载对应多个接收线圈，第1个负载R_L1侧接收侧谐振网络由L_s1、C_s1组成，R_s1为接收线圈的等效串联电阻。第2个负载R_L2侧接收侧谐振网络由L_s2、C_s2组成，R_s2为接收线圈的等效串联电阻。同理，可接入多个负载，第n个负载R_Ln接收侧谐振电感L_sn，谐振电容C_sn。各线圈间耦合系数k₁、k₂……k_n，其中，k₁为发射线圈与第1个负载R_L1接收线圈的耦合系数，k₂为发射线圈与第2个负载R_L2接收线圈的耦合系数，同理可添加其他负载，发射侧与第n个接收侧线圈间的耦合系数k_n。

对于一个无线充电系统，首先需要确定其基本参数，即输入电压U与工作频率f。输入电压U与工作频率f均根据工作情况设定。其中，工作频率f与线圈谐振网络参数相关，根据选择电容值绕制相应电感值的电感，需要满足以下关系：

jωL_s1＝1/jωC_s1 (1-1)

jωL_s2＝1/jωC_s2 (1-2)

……

jωL_sn＝1/jωC_sn (1-n)

jωL_p＝1/jωC_p (1-p)

其中，ω＝2πf。线圈耦合系数k₁、k₂……k_n，由各线圈距离、相对位置决定，会影响系统的传输功率，负载也会影响系统输出功率和电磁干扰。M₁为发射线圈与第1个负载R_L1接收线圈的耦合系数的互感，M₂为发射线圈与第2个负载R_L2接收线圈的耦合系数的互感，同理可接多个负载，M_n为发射线圈与第n个负载R_Ln接收线圈的耦合系数的互感，谐振线圈间的互感与耦合系数、线圈电感值需要满足以下关系：

……

如图1所示，C_q是两个MOSFET开关管S₁、S₂的等效对地寄生电容，C₁为发射线圈与第1个负载R_L1接收线圈之间的寄生电容，C_t1、C_r1是第1个负载R_L1侧二极管的对地寄生电容，C₂为发射线圈与第2个负载R_L2接收线圈之间的寄生电容，C_t2、C_r2是第2个负载R_L2侧二极管的对地寄生电容。该电路中各器件的寄生参数添加方法如下：

(1)对于线圈间的寄生参数，实际应用过程中，不同的k值会导致系统传导干扰模型中C₁和C₁等线圈间寄生电容发生变化，进而影响输出侧电磁干扰。当线圈耦合系数k增大时，线圈距离较近、相对面积较大，C₁和C₁等随之增大，其大小可根据平板电容如下计算公式得到：

其中，S为电容器两极板的正对面积，d为电容器两极板之间的距离，ε为介电常数，k₁为静电常数。

(2)对于开关器件的寄生参数，通过查找器件手册MOSFET开关管得出板间相对面积，适当估算板间距，根据公式(3)可计算出其等效对地寄生电容C_q取值，同理可计算出二极管的对地寄生电容C_t1、C_r1，C_t2、C_r2等电容值。

以图2中含一个中继线圈的系统电磁干扰模型电路为例，根据对系统的功率的计算，选取输出功率较大时的线圈耦合系数和负载，各线圈耦合系数在本发明均取0.02，负载在本发明中均取10Ω。当输入电压为10V，谐振频率为1M时的仿真结果见图3。

根据最终的仿真结果可知：

(1)含有两个负载的输入侧共模干扰较为严重，谐振频率为25M时最大值达到91.552dB。输入侧共模干扰主要来源于开关管的快速通断，经寄生电容提取得到干扰值，在后续设计中可采取相应措施抑制其共模干扰。

(2)频谱中在谐振频率处的干扰最为严重，在谐振频率的整数倍频时干扰较为严重。共模干扰和差模干扰均呈现此现象，在实际应用时需对该频段更加注意，在后续设计中可采取相应措施抑制该频段的干扰。

Claims (7)

1.多负载谐振型无线充电系统电磁干扰预测电路，其特征在于，包括谐振网络以及连接在谐振网络输入端的输入侧逆变电路，输入侧逆变电路的输入端连接有直流输入电源；还包括连接在谐振网络输出端的输出侧整流电路以及并联在输出侧整流电路上的滤波电容；

其中，谐振网络包括与输入侧逆变电路连接的发射测谐振网络以及与输出侧整流电路连接的接收侧谐振网络，发射侧谐振网络和接收侧谐振网络之间连接有寄生电容；

输出侧整流电路与接收侧谐振网络组成接收侧电路，接收侧电路的个数为n，n≥2。

2.根据权利要求1所述的多负载谐振型无线充电系统电磁干扰预测电路，其特征在于，输入侧逆变电路为半桥逆变电路，半桥逆变电路包括两个串联的开关管，每个开关管的源极和漏极之间均连接有电容，半桥中心即两个开关管连接中点与地之间连接有对地电容；发射侧谐振网络包括串联的电容、电感和电阻组成的发射线圈，发射线圈连接在两个开关管连接中点与直流输入电源负极之间；

输出侧整流电路选择全桥整流电路，四个二极管采用两两串联后并联的连接方式，且每个二极管正负极之间都并联电容，每个桥臂中点与地之间连接都有对地电容，接收侧谐振网络包括串联的电容、电感和电阻组成的接收线圈，接收线圈连接在全桥整流电路的两个桥臂中点之间。

3.根据权利要求1所述的多负载谐振型无线充电系统电磁干扰预测电路，其特征在于，所述滤波电容包括高频滤波电容和低频滤波电容。

4.根据权利要求1所述多负载谐振型无线充电系统电磁干扰预测电路，其特征在于，输出侧整流电路为全桥整流电路为例。

5.多负载谐振型无线充电系统电磁干扰预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定无线充电系统的工作参数，包括输入电压U与工作频率f及负载个数n及各负载阻值R_L1～R_Ln；

步骤2：根据步骤1确定的工作参数，确定谐振网络参数，包括发射侧谐振电感L_p，谐振电容C_p，第n个负载R_Ln接收侧谐振电感L_sn，谐振电容C_sn，n≥2；

步骤3：根据步骤2确定的线圈谐振网络参数，确定线圈之间的耦合参数，包括耦合系数k1～k_n，发射侧与第一个接收侧线圈间的耦合系数为k₁，发射侧与第n个接收侧线圈间的耦合系数为k_n；M₁为发射线圈与第1个负载R_L1接收线圈的耦合系数的互感，M_n为发射线圈与第n个负载R_Ln接收线圈的耦合系数的互感，谐振线圈间的互感与耦合系数以及线圈电感值满足以下关系：

步骤4：建立系统电磁干扰模型，确定寄生电容参数；

电路中各器件的寄生参数确定方法如下：

(1)对于线圈间的寄生电容参数，其大小根据平板电容如下计算公式得到：

其中，S为电容器两极板的正对面积，d为电容器两极板之间的距离，ε为介电常数，k₁为静电常数；

(2)对于开关器件和二极管的寄生电容参数，通过查找器件手册MOSFET开关管得出板间相对面积和板间距，根据公式(3)计算出其等效对地寄生电容C_q取值，同理计算出二极管的对地寄生电容的值；

步骤5：利用步骤4中建立的电磁干扰模型进行仿真，得出功率较大时输入侧、输出侧共模和差模干扰信号的波形。

6.根据权利要求5所述的多负载谐振型无线充电系统电磁干扰预测方法，其特征在于，步骤2中，线圈谐振网络参数与工作频率f相关，根据选择电容值绕制相应电感值的电感，满足以下关系：

第n个接收侧谐振网络参数满足以下关系：

jωL_sn＝1/jωC_sn (1)

发射侧谐振网络参数满足以下关系：

jωL_p＝1/jωC_p (4)

其中，ω＝2πf。

7.根据权利要求5所述的多负载谐振型无线充电系统电磁干扰预测方法，其特征在于，步骤3中，线圈耦合系数由线圈间距离、相对位置及周围磁介质的性质决定。