CN108695995A - 一种高效率谐振型无线电能传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种高效率谐振型无线电能传输系统,包括(1)耦合线圈LTx和LRx及谐振电容CTx和CRx构成串联谐振网络;(2)发射侧输入电压Vdc,输入扼流电感Lin,主开关管MTx和其并联电容Cds1构成E类逆变电路;(3)接收侧输出电容Co,输出扼流电感Lout,同步开关管MRx和其并联电容Cds2构成E类同步整流电路。本发明采用E类同步整流电路替代常规的二极管整流,能够大幅减少损耗二极管的导通损耗,提升系统效率;同步整流控制信号与发射端信号相互独立,直接从接收端开关管MRx的导通压降处获得开通和关断信息,避免了传统同步整流技术的问题;基于变压器取能的高效率辅助源电路,能够大幅减少传统线性辅助源的低效率问题,提升系统总效率。
Description
技术领域
本发明涉及能力传输系统,特别涉及一种高效率谐振型无线电能传输系统。
背景技术
磁耦合谐振型无线能量传输系统核心架构如图1所示,通过两个电感线圈LTx和LRx的耦合,实现电能的传输。由于线圈漏感的存在使得直接耦合状态下,传输的功率和效率都很低,所以将电感线圈与电容串联形成谐振,构成谐振型无线能量传输系统以提高效率和功率。图1中,Uin为输入的交流源,LTx和LRx为耦合的电感线圈,CTx和CRx为谐振电容,RTx和RRx为谐振回路的内阻,RL为等效交流负载电阻。但核心架构仅完成高频下“交流-交流”的传输,不适合常规“直流-直流”(DC-DC)的应用。
桥式拓扑下DC-DC无线能量传输系统的电路拓扑如图2所示,其中交流电压源由逆变电路提供,通常为半桥型逆变电路(包括图中的Vdc,M1和M2)或全桥型逆变电路;而等效负载由整流电路构成,通常为全桥整流电路(包括二极管D1~D4,Lr和Co)。
E类拓扑下“直流-直流”无线能量传输系统的电路拓扑如图3所示,其中交流电压源由逆变电路提供,通常为E类逆变电路(包括图中的Vdc,Lin,M和Cds);而等效负载由整流电路构成,通常为全桥整流电路(包括图中的Co,Lout,D和Cd)。
桥式拓扑下DC-DC无线能量传输系统设计方法成熟,电压应力较低适合较大功率运行;也可以工作于D类谐振功率放大模式以完成零电压开通(ZVS)。但是D类谐振功率放大电路有着一些不可避免的缺陷:(1)桥式电路需要死区电路,所以限制了最高工作频率;(2)桥式电路驱动会有栓锁效应,影响系统可靠性;(3)输入电流不连续需要额外的输入滤波电路;(4)二极管反向导通时间较长降低系统效率。
E类拓扑下DC-DC无线能量传输系统由于其:(1)单管结构对地驱动简单可靠可以解决死区问题和驱动问题;(2)输入电感使电流电续;(3)波形除了有ZVS特性还有近似ZDS(零电压斜率)特性,可以解决二极管反向损耗问题;使无线电能传输系统能够应用在更高的传输频率中。
但是E类拓扑下“直流-直流”无线能量传输系统仍然有许多待以解决的问题包括:(1)整流侧二极管的损耗较大,影响系统效率;(2)传统的同步整流技术需要从发射端将信号传至接收端,但在无线充电应用中不同于一般隔离电源,由于距离限制,无法增加额外的变压器或光耦传递同步整流信息;(3)在较高电压(>24V)的应用中,发射端和接收端辅助电源的供电若采用线性电路供电,会产生额外功耗,降低系统效率。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷或不足,本发明所要解决的技术问题是:提供一种高效率谐振型无线电能传输系统。
为了实现上述目的,本发明采取的技术方案为:
一种高效率谐振型无线电能传输系统,包括耦合电感线圈LTX和LRX、谐振电容CTX和CRX、E类逆变电路及E类整流电路;所述LTX的一端接地,LTX的另一端与CTX的一端相连,所述CTX的另一端与E类逆变电路相连;所述LRX的一端接地,LRX的另一端与CRX的一端相连,所述CRX的另一端与E类整流电路相连;其中,所述E类逆变电路包括直流供电电源Vdc、厄流线圈Lin、开关管MTX、与MTX并联的电容Cds1;所述Lin的一端与直流供电电源相连,Lin的另一端与所述开关管MTX的一端相连;所述开关管MTX的一端与CTX相连,MTX的另一端接地;所述E类整流电路包括同步整流开关管MRX、与MRX并联电容Cds2、输出厄流线圈Lout以及输出电容Cout;其中,所述Lout的一端与输出电容Cout的一端相连,Lout的另一端与所述开关管MRX的一端相连,所述输出电容Cout的另一端接地;所述开关管MRX的一端与CRX相连,MRX的另一端接地;所述E类逆变电路还包括高效率辅助源电路,所述辅助源电路生成辅助源Vaux1给时钟电路及驱动电路供电;所述辅助源电路包括变压器取能电路和线性稳压电路II,其中,采用由变压器T1,隔直电容CB1,二极管DF1,电容CF1构成的变压器取能电路作为辅助源电路的主体,从谐振网络上高效率地取能,经由线性稳压电路II产生稳定的输出电压Vaux1。
作为本发明的进一步改进,所述辅助源电路还包括线性稳压电路I、竞争输出电路;在启动时变压器取能电路无法获取能量,由所述线性稳压电路I提供启动能量;所述竞争电路用于在启动完成后,低效率的线性稳压电路I不再提供能量。
作为本发明的进一步改进,所述E类逆变电路还包括驱动电路和低功耗的时钟电路,所述低功耗的时钟电路用于产生固定的占空比和频率信号,经过驱动电路电流放大以驱动发射端开关管MTx。
作为本发明的进一步改进,所述E类整流电路还包括高效率辅助源电路,所述辅助源电路生成辅助源Vaux2给时钟电路及同步整流电路供电;所述辅助源电路包括变压器取能电路和线性稳压电路III,其中,采用由变压器T2,隔直电容CB2,二极管DF2,电容CF2构成的变压器取能电路作为辅助源电路的主体,从谐振网络上高效率地取能,经由线性稳压电路IV,产生稳定的输出电压Vaux2。
作为本发明的进一步改进,所述辅助源电路还包括线性稳压电路IV、竞争输出电路;在启动时变压器取能电路无法获取能量,由所述线性稳压电路IV提供启动能量;所述竞争电路用于在启动完成后,低效率的线性稳压电路I不再提供能量。
作为本发明的进一步改进,所述变压器取能电路的取能点并联在谐振电容的两端,或并联在谐振电感的两端,或开关管并联电容的两端。
本发明的有益效果是:本发明采用E类同步整流电路替代常规的二极管整流,能够大幅减少损耗二极管的导通损耗,提升系统效率;同步整流控制信号与发射端信号相互独立,直接从接收端开关管MRx的导通压降处获得开通和关断信息,避免了传统同步整流技术的问题;基于变压器取能的高效率辅助源电路,能够大幅减少传统线性辅助源的低效率问题,提升系统总效率。
附图说明
图1是磁耦合谐振型无线能量传输系统电路图;
图2是基于桥式拓扑的DC-DC无线能量传输系统电路图;
图3是基于E类拓扑的DC-DC无线能量传输系统电路图;
图4是本发明的基于E类拓扑的无线能量传输系统主功率部分电路图;
图5(a)是发射侧MTx上典型的电压电流波形;
图5(b)是接收侧MRx上典型的电压电流波形;
图6是发射侧主功率及其他辅助电路图;
图7是接收侧主功率及其他辅助电路图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明的无线能量传输系统基于E类拓扑,并且对现有技术中E类拓扑的缺点进行改进,使其达到较高的效率。首先在电路的接收侧引入同步整流MOSFET(MRx)代替整流用的二极管,电路主功率部分如图4所示。
主功率电路包括以下组成部分:(1)耦合线圈LTx和LRx及谐振电容CTx和CRx构成串联谐振网络;(2)发射侧输入电压Vdc,输入扼流电感Lin,主开关管MTx和其并联电容Cds1构成E类逆变电路;(3)接收侧输出电容Co,输出扼流电感Lout,同步开关管MRx和其并联电容Cds2构成E类同步整流电路。
主功率两个开关管MTx和MRx上典型的电压电流波形如图5所示,电路在开通时不仅仅保证了零电压通断(ZVS),而且此时电压变化率也接近零(ZDS),所以二极管反向导通电流可以忽略,所以损耗更小,效率更高。
发射侧详细电路如图6所示,除了前文介绍Vdc,Lin,MTx,Cds1,LTx和CTx还有一系列辅助电路实现电路的高效率运行。首先有低功耗的时钟电路产生固定的占空比和频率信号,经过驱动电路电流放大以驱动发射端开关管MTx,此二者可以使逆变电路工作起来。
除此之外,电路中还有高效率辅助源电路生成辅助源Vaux1,其包括四个环节(1)线性稳压电路I(2)变压器取能电路(3)竞争输出电路(4)线性稳压电路II。传统的线性稳压电路如前文背景所述,在高输入电压(Vdc>30V)应用场合效率低,影响系统整体效率。所以采用由变压器T1,隔直电容CB1,二极管DF1,电容CF1构成的变压器取能电路作为辅助源电路的主体,从谐振网络上高效率地取能,经由线性稳压电路II,产生稳定的输出电压Vaux1给时钟电路及驱动电路供电。考虑到启动问题,在启动时变压器取能电路无法获取能量,所以加入线性稳压电路I提供启动能量。DX1,DY1和CA1构成的竞争电路可以保证启动完成后,低效率的线性稳压电路I不再提供能量,所有辅助源能量均由变压器取能电路获得,从而提升系统总效率。
接收侧详细电路如图7所示,除了前文介绍的Cout,Lout,MRx,Cds2,LRx和CRx还有一系列辅助电路实现电路的高效率运行。首先有同步整流电路,实时采样Vds2的电压,以驱动接受端同步开关管MRx,大幅减少二极管的导通压降,使电路处于高效率的运行状态获得较高的效率。具体工作过程可参照图5,首先MRx的反并联二极管导通,Vds2产生一个低于门限阈值的电压,同步整流电路输出高电平驱动MRx达到同步整流的目的,随后随着电流Ids2的降低,Vds2高于一个门限阈值后同步整流电路输出低电平关断MRx。
除此之外,电路中还有高效率辅助源电路生成辅助源Vaux2,其包括四个环节(1)线性稳压电路III(2)变压器取能电路(3)竞争输出电路(4)线性稳压电路IV。传统的线性稳压电路如前文背景所述,在高输入电压(Vdc>30V)应用场合效率低,影响系统整体效率。所以采用由变压器T2,隔直电容CB2,二极管DF2,电容CF2构成的变压器取能电路作为辅助源电路的主体,从谐振网络上高效率地取能,经由线性稳压电路IV,产生稳定的输出电压Vaux2给时钟电路及同步整流电路供电。考虑到启动问题,在启动时变压器取能电路无法获取能量,所以加入线性稳压电路III提供启动能量。DX2,DY2和CA2构成的竞争电路可以保证启动完成后,低效率的线性稳压电路III不再提供能量,所有辅助源能量均由变压器取能电路获得,从而提升系统总效率。
变压器取能电路的取能点,不仅仅可以并联在谐振电容(CTx和CRx)的两端,也可以并联在谐振电感(TTx和TRx)的两端或开关管并联电容(Cds1和Cds2)的两端。
本发明能够得到如下一些有益效果:(1)单管结构对地驱动简单可靠可以解决死区问题和驱动问题;(2)输入电感使电流电续;(3)波形除了有ZVS特性还有近似ZDS(零电压斜率)特性,可以解决二极管反向损耗问题;使无线电能传输系统能够应用在更高的传输频率中。此外,采用一些新技术解决了上述问题,包括:(4)E类同步整流电路替代常规的二极管整流,能够大幅减少损耗二极管的导通损耗,提升系统效率;(5)同步整流控制信号与发射端信号相互独立,直接从接收端开关管MRx的导通压降处获得开通和关断信息,避免了传统同步整流技术的问题;(6)基于变压器取能的高效率辅助源电路,能够大幅减少传统线性辅助源的低效率问题,提升系统总效率。
上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种高效率谐振型无线电能传输系统,包括耦合电感线圈LTX和LRX、谐振电容CTX和CRX、E类逆变电路及E类整流电路;所述LTX的一端接地,LTX的另一端与CTX的一端相连,所述CTX的另一端与E类逆变电路相连;所述LRX的一端接地,LRX的另一端与CRX的一端相连,所述CRX的另一端与E类整流电路相连;其中,所述E类逆变电路包括直流供电电源Vdc、厄流线圈Lin、开关管MTX、与MTX并联的电容Cds1;所述Lin的一端与直流供电电源相连,Lin的另一端与所述开关管MTX的一端相连;所述开关管MTX的一端与CTX相连,MTX的另一端接地;所述E类整流电路包括同步整流开关管MRX、与MRX并联电容Cds2、输出厄流线圈Lout以及输出电容Cout;其中,所述Lout的一端与输出电容Cout的一端相连,Lout的另一端与所述开关管MRX的一端相连,所述输出电容Cout的另一端接地;所述开关管MRX的一端与CRX相连,MRX的另一端接地;其特征在于:所述E类逆变电路还包括高效率辅助源电路,所述辅助源电路生成辅助源Vaux1给时钟电路及驱动电路供电;所述辅助源电路包括变压器取能电路和线性稳压电路II,其中,采用由变压器T1,隔直电容CB1,二极管DF1,电容CF1构成的变压器取能电路作为辅助源电路的主体,从谐振网络上高效率地取能,经由线性稳压电路II产生稳定的输出电压Vaux1。
2.根据权利要求1所述的系统,其特征在于:所述辅助源电路还包括线性稳压电路I、竞争输出电路;在启动时变压器取能电路无法获取能量,由所述线性稳压电路I提供启动能量;所述竞争电路用于在启动完成后,低效率的线性稳压电路I不再提供能量。
3.根据权利要求1或2所述的系统,其特征在于:所述E类逆变电路还包括驱动电路和低功耗的时钟电路,所述低功耗的时钟电路用于产生固定的占空比和频率信号,经过驱动电路电流放大以驱动发射端开关管MTx。
4.根据权利要求1所述的系统,其特征在于:所述E类整流电路还包括高效率辅助源电路,所述辅助源电路生成辅助源Vaux2给时钟电路及同步整流电路供电;所述辅助源电路包括变压器取能电路和线性稳压电路III,其中,采用由变压器T2,隔直电容CB2,二极管DF2,电容CF2构成的变压器取能电路作为辅助源电路的主体,从谐振网络上高效率地取能,经由线性稳压电路IV,产生稳定的输出电压Vaux2。
5.根据权利要求4所述的系统,其特征在于:所述辅助源电路还包括线性稳压电路IV、竞争输出电路;在启动时变压器取能电路无法获取能量,由所述线性稳压电路IV提供启动能量;所述竞争电路用于在启动完成后,低效率的线性稳压电路I不再提供能量。
6.根据权利要求1或4所述的系统,其特征在于:所述变压器取能电路的取能点并联在谐振电容的两端,或并联在谐振电感的两端,或开关管并联电容的两端。
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