CN109412236A - 基于副边开关控制的s-s型恒流无线充电电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于副边开关控制的S‑S型恒流无线充电电源，该电源包括原边电路和副边电路。该充电电源在副边整流桥之前增加一个双向开关，采用副边控制器实时采集充电电流，实现了恒流输出控制；本发明提供的无线充电电源无需原副边实时无线通信，有效地解决了无线通信受干扰时导致系统稳定性与可靠性差的问题；同时，相较于传统的副边控制方式，本发明中副边电路和控制算法更为简化，实现了副边轻量化与结构紧凑化设计，降低了副边成本。因三极管截止时电感电流不能突变，本发明在此用串联于漏极和源极之间的二极管进行续流，防止了高压击穿三极管，更进一步地保证了电源的可靠性及稳定性。

Description

基于副边开关控制的S-S型恒流无线充电电源
技术领域
本发明涉及一种充电电源，尤其是涉及一种基于副边开关控制的S-S型恒流无线充电电源。
背景技术
无线充电技术源于无线电能传输技术，可分为小功率无线充电和大功率无线充电两种方式，其中小功率无线充电常采用电磁感应式，如对手机充电的Qi方式，但中兴的电动汽车无线充电方式采用的感应式。大功率无线充电常采用谐振式(大部分电动汽车充电采用此方式)由供电设备(充电器)将能量传送至用电的装置，该装置使用接收到的能量对电池充电，并同时供其本身运作之用。由于充电器与用电装置之间以磁场传送能量，两者之间不用电线连接，因此充电器及用电的装置都可以做到无导电接点外露。
无线充电的基本原理包括：
1、电磁感应式：初级线圈一定频率的交流电，通过电磁感应在次级线圈中产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端。目前最为常见的充电解决方案就采用了电磁感应；
2、磁场共振：由能量发送装置，和能量接收装置组成，当两个装置调整到相同频率，或者说在一个特定的频率上共振，它们就可以交换彼此的能量；
3、无线电波式：主要有微波发射装置和微波接收装置组成，可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载作出调整的同时保持稳定的直流电压；此种方式只需一个安装在墙身插头的发送器，以及可以安装在任何低电压产品的"蚊型"接收器。
目前，无线充电电源的副边控制大都采用dc-dc变换器，从而导致副边体积和成本的增加，不利于副边电路的小型化和轻量化设计。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的问题，本发明的目的在于提供一种能够有效解决无线通信受干扰时导致系统稳定性与可靠性差的问题，能够实现副边轻量化与结构紧凑化设计，降低副边成本的基于副边开关控制的S-S型恒流无线充电电源。
本发明所提供的基于副边开关控制的S-S型恒流无线充电电源包括原边电路和副边电路，所述原边电路包括输入滤波电路、逆变电路和发射线圈，供电电源加载于所述输入滤波电路的输入端经滤波后加载于所述逆变电路，所述逆变电路的控制端上加载有脉冲信号，其导通、截止受脉冲信号的控制，所述逆变电路输出的电压加载于所述发射线圈；所述副边电路包括接收线圈、双向开关、副边控制器和输出整流滤波电路，所述发射线圈中所产生的电流感应至所述接收线圈，所述双向开关串联于所述接收线圈的正负极输出端之间，所述接收线圈的正负极输出端还连接至所述输出整流滤波电路的输入端，所述输出整流滤波电路的输出端作为整个电源的输出端用于接负载；所述双向开关的导通、截止受所述副边控制器的控制。
进一步的，所述副边控制器包括反相器和滞后比较器，所述反相器的正向输入端和反向输入端分别接电源，所述反相器的输入端接电阻R7并加载有脉冲信号；所述反相器的正向输出端接地，反向输出端通过电阻R6接所述滞后比较器的输入端，所述滞后比较器的正向输入端和反向输入端分别接电源，所述滞后比较器的正向输出端经电阻R4接电源，反向输出端经电阻R5作为副边控制器的输出端输出充电电流IO；所述滞后比较器的输入端与正向输出端之间串联有电阻R3。
进一步的，所述充电电流IO的高阈值VL和低阈值VH分别由以下式(1)和式(2)表达：
式(1)和式(2)中：R3、R4表示电阻R3和电阻R4的阻值；VI_set为加载于所述滞后比较器正向输出端的电源电压；Vcc为滞后比较器的工作电压；
高阈值VL和低阈值VH之间的差值ΔV为：
式(3)中：R3、R4表示电阻R3和电阻R4的阻值。
进一步的，所述双向开关包括三极管S1和三极管S2，所述三极管S1的漏极与所述三极管S2的漏极连接，所述三极管S1的栅极和所述三极管S2的栅极接所述副边控制器的输出端；所述三极管S1的源极和所述三极管S2的源极作为双向开关的连接端用于连接所述接收线圈的输出端。
进一步的，所述三极管S1和/或所述三极管S2的漏极和源极之间分别串联有二极管SD1和SD2。
进一步的，所述逆变电路包括三极管Q1～Q4，所述三极管Q1和所述三极管Q4串联于所述输入滤波电路的输出端之间，所述三极管Q2和所述三极管Q3串联于所述输入滤波电路的输出端之间；所述三极管Q1、所述三极管Q2、所述三极管Q3和所述三极管Q4的导通、截止受脉冲信号的控制。
进一步的，所述三极管Q1～Q4的漏极和源极之间分别串联有二极管QD1、QD2、QD3和QD4。
本发明的有益效果是：该充电电源在副边整流桥之前增加一个双向开关，采用副边控制器实时采集充电电流，实现了恒流输出控制；本发明提供的无线充电电源无需原副边实时无线通信，有效地解决了无线通信受干扰时导致系统稳定性与可靠性差的问题；同时，相较于传统的副边控制方式，本发明中副边电路和控制算法更为简化，实现了副边轻量化与结构紧凑化设计，降低了副边成本。
因三极管截止时电感电流不能突变，本发明在此用串联于漏极和源极之间的二极管进行续流，防止了高压击穿三极管，更进一步地保证了电源的可靠性及稳定性。
附图说明
图1为本发明所提供的无线充电电源的电路原理图；
图2为本发明所提供的互感模型；
图3为本发明所提供的副边控制器的电路原理图；
图4为本发明所提供的双向开关的电路原理图；
图5为本发明所提供的无线充电电源的短路模态电路原理图；
图6为本发明所提供的无线充电电源的整流模态电路原理图；
图7为本发明所提供的副边控制器的滞回曲线图；
图8本发明所提供的无线充电电源的开环仿真波形图；
图9本发明所提供的无线充电电源的闭环仿真波形图之一；
图10本发明所提供的无线充电电源的闭环仿真波形图之二。
具体实施方式
在此结合附图和具体实施方式对本申请所要求保护的技术方案作进一步详细的说明。
本发明要求保护的技术方案是一种基于副边开关控制的S-S型恒流无线充电电源，该电源的电路原理图如图1所示，其包括了：
原边电路，包括由电容Ci构成的输入滤波电路、逆变电路和发射线圈L1，供电电源加载于电容Ci的两端，经滤波后的供电电源加载于逆变电路，该逆变电路的控制端上加载有脉冲信号，其导通、截止受脉冲信号的控制，逆变电路输出的电压分别经电阻R1和电容C1加载于发射线圈L1的两端；
副边电路，包括能够感应发射线圈L1的感应电流的接收线圈L2、双向开关、副边控制器和输出整流滤波电路，发射线圈L1中所产生的电流感应至接收线圈L2，双向开关串联于接收线圈L2的正负极输出端之间，接收线圈L2的正极输出端依次经电阻R2和电容C2连接至输出整流滤波电路的一个输入端，负极输出端连接至输出整流滤波电路的另一个输入端，输出整流滤波电路的输出端作为整个电源的输出端用于接负载(附图中RL表示为等效负载，实际应用时，负载可以是任何用电设备，如电动车)；双向开关和整流滤波电路的导通、截止受副边控制器的控制。
其中，双向开关可以采用现有的任何一种，在此采用的由三极管S1和三极管S2构成，如图4所示。三极管S1的漏极与三极管S2的漏极连接，三极管S1的栅极和三极管S2的栅极接副边控制器的输出端；三极管S1的源极和三极管S2的源极作为双向开关的连接端用于连接接收线圈L2的正负极输出端。为了避免三极管S1、S2因三极管截止时电感电流突变，导致三极管被高压击穿；在此，三极管S1和/或三极管S2的漏极和源极之间串联二极管SD1、SD2，用串联于漏极和源极之间的二极管进行续流，防止了高压击穿三极管。
本申请所记载的逆变电路可以采用现有的任何一种拓扑结构，在此采用的是由四个三极管构成的逆变电路，如图1所示，该逆变电路包括三极管Q1～Q4，三极管Q1的漏极和三极管Q2的漏极接供电电源的正极，三极管Q1的源极和三极管Q4的漏极连接并通过电阻R1连接至发射线圈L1的一端；三极管Q2的源极和三极管Q3的漏极连接并通过电容C1连接至发射线圈L1的另一端；三极管Q3的源极和三极管Q4的源极接供电电源的负极，三极管Q1的栅极、三极管Q2的栅极、三极管Q3的栅极和三极管Q4的栅极上加载有脉冲信号，其导通、截止受脉冲信号的控制。为了避免三极管Q1～Q4因三极管截止时电感电流突变，导致三极管Q1～Q4被高压击穿；在此，三极管Q1～Q4的漏极和源极之间串联二极管QD1、QD2、QD3和QD4，用串联于漏极和源极之间的二极管进行续流，防止了高压击穿三极管。
本申请所记载的输出整流滤波电路可以采用全桥整流和电容Co构成，也可以采用半桥整流和电容Co构成；在此采用四个二极管D1～D4构成全桥整流，二极管D1和二极管D3的阴极作为整个电源的一个输出端，二极管D1的阳极接二极管D2的阴极并依次通过电容C2连接至接收线圈L2的一端；二极管D3的阳极和二极管D4的阴极连接并通过电阻R2连接至接收线圈L2的另一端；电容Co的一端接二极管D4的阳极作为整个电源的一个输出端，另一端接二极管D3的阴极作为整个电源的另一个输出端，整个电源的输出端用于连接负载RL。
本申请所记载的副边控制器的电路结构如图3所示，其包括反相器和滞后比较器，反相器的正向输入端和负向输入端分别接电源，反相器的输入端接电阻R7并加载有脉冲信号；反相器的正向输出端接地，反向输出端通过电阻R6接滞后比较器的输入端，滞后比较器的正向输入端和负向输入端分别接电源，滞后比较器的正向输出端经电阻R4接电源，反向输出端经电阻R5作为副边控制器的输出端输出充电电流IO；滞后比较器的输入端与正向输出端之间串联有电阻R3，该副边控制器的滞回曲线如图7所示。
副边控制器输出的充电电流IO的高阈值VL和低阈值VH分别由以下式(1)和式(2)表达：
式(1)和式(2)中：R3、R4表示电阻R3和电阻R4的阻值；VI_set为加载于所述滞后比较器正向输出端的电源电压；Vcc为滞后比较器的工作电压，在此加载的Vcc为直流12V或15V；
高阈值VL和低阈值VH之间的差值ΔV为：
式(3)中：R3、R4表示电阻R3和电阻R4的阻值。
本发明所提供的无线充电电源中的互感模型如图2所示，附图中US为供电电源经滤波和逆变电路后的电压，M表示同名端，电阻RL表示等效负载；此时用于向负载RL充电的电流IL由式(4)表示：
式(4)中，ωM中ω为系统工作角频率，M为发射线圈L1和接收线圈L2的互感值，R1、R2、RL分别表示电阻R1、电阻R2和负载的阻值。
如图5和图6所示，根据双向开关的导通与截止，无线充电电源的工作状态分为短路模态和整流模态。该无线充电电源的恒流充电过程如下：
短路模态：当副边控制器输出的充电电流IO>设定电流Iset时，双向开关闭合，本发明所提供的无线充电电源等效电路如图5；此时，供电电源加载于原边电路上所产生的功率不能传输到负载，副边控制器输出的充电电流IO逐渐减小。在这个过程中，接收线圈中的谐振电流I2表达式为：
式(5)中，US为供电电源经滤波和逆变电路后的电压，R1为电阻R1的阻值；ω为系统工作角频率，M为发射线圈L1和接收线圈L2的互感值。
整流模态：当副边控制器输出的充电电流IO<设定电流Iset时，双向开关Sd打开，本发明所提供的无线充电电源等效电路如图6；此时，供电电源加载于原边电路上所产生的功率传输到负载，副边控制器输出的充电电流IO逐渐增大。在这个过程中，接收线圈中的谐振电流I2表达式为：
式(6)中，US为供电电源经滤波和逆变电路后的电压，R1、RL分别表示电阻R1和负载的阻值；ω为系统工作角频率，M为发射线圈L1和接收线圈L2的互感值。
由式(5)和式(6)可知，接收线圈L2中的谐振电流I2随着双向开关Sd的打开与闭合而改变，仿真结果如图8所示。可知，副边控制器输出的充电电流IO大于设定值(此处设定值为7.9A)时，双向开关Sd闭合，本发明所提供的无线充电电源工作在短路模态；当副边控制器输出的充电电流IO小于设定值(此处设定值为7.8A)时，双向开关Sd打开，本发明所提供的无线充电电源工作在整流模态。通过控制双向开关Sd的通断，得以调节加载于负载上的电流。
当负载变化时，通过副边控制器的输出控制双向开关Sd，此时副边控制器输出的充电电流IO的波形图如图9和图10所示；如图所示，副边控制器输出的充电电流IO能够维持恒定，保证了充电的稳定性。
本发明所提供的充电电源中原边电路和副边电路均采用电容和电感串联方式构成感应电路，构成了原、副边串联补偿，如图2所示。由于Series(串联)的首字母S，故在此构成S-S型恒流无线充电电源；该电源中的脉冲信号由原边控制器产生，该原边控制器可以采用现有的任何一种能够才生脉冲信号的电路，如用单片机构成脉冲产生电路。

Claims (9)

1.基于副边开关控制的S-S型恒流无线充电电源，其特征在于：该电源包括原边电路和副边电路，所述原边电路包括输入滤波电路、逆变电路和发射线圈，供电电源加载于所述输入滤波电路的输入端经滤波后加载于所述逆变电路，所述逆变电路的控制端上加载有脉冲信号，其导通、截止受脉冲信号的控制，所述逆变电路输出的电压加载于所述发射线圈；所述副边电路包括接收线圈、双向开关、副边控制器和输出整流滤波电路，所述发射线圈中所产生的电流感应至所述接收线圈，所述双向开关串联于所述接收线圈的正负极输出端之间，所述接收线圈的正负极输出端还连接至所述输出整流滤波电路的输入端，所述输出整流滤波电路的输出端作为整个电源的输出端用于接负载；所述双向开关的导通、截止受所述副边控制器的控制。
2.根据权利要求1所述的基于副边开关控制的S-S型恒流无线充电电源，其特征在于：所述副边控制器包括反相器和滞后比较器，所述反相器的正向输入端和反向输入端分别接电源，所述反相器的输入端接电阻R7并加载有脉冲信号；所述反相器的正向输出端接地，反向输出端通过电阻R6接所述滞后比较器的输入端，所述滞后比较器的正向输入端和反向输入端分别接电源，所述滞后比较器的正向输出端经电阻R4接电源，反向输出端经电阻R5作为副边控制器的输出端输出充电电流IO；所述滞后比较器的输入端与正向输出端之间串联有电阻R3。
3.根据权利要求2所述的所述的基于副边开关控制的S-S型恒流无线充电电源，其特征在于：所述充电电流IO的高阈值VL和低阈值VH分别由以下式(1)和式(2)表达：
式(1)和式(2)中：R3、R4表示电阻R3和电阻R4的阻值；VI_set为加载于所述滞后比较器正向输出端的电源电压；Vcc为滞后比较器的工作电压；
高阈值VL和低阈值VH之间的差值ΔV为：
式(3)中：R3、R4表示电阻R3和电阻R4的阻值。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于副边开关控制的S-S型恒流无线充电电源，其特征在于：所述双向开关包括三极管S1和三极管S2，所述三极管S1的漏极与所述三极管S2的漏极连接，所述三极管S1的栅极和所述三极管S2的栅极接所述副边控制器的输出端；所述三极管S1的源极和所述三极管S2的源极作为双向开关的连接端用于连接所述接收线圈的输出端。
5.根据权利要求4所述的基于副边开关控制的S-S型恒流无线充电电源，其特征在于：所述三极管S1和/或所述三极管S2的漏极和源极之间分别串联有二极管SD1和SD2。
6.根据权利要求1或2或3所述的基于副边开关控制的S-S型恒流无线充电电源，其特征在于：所述逆变电路包括三极管Q1～Q4，所述三极管Q1和所述三极管Q4串联于所述输入滤波电路的输出端之间，所述三极管Q2和所述三极管Q3串联于所述输入滤波电路的输出端之间；所述三极管Q1、所述三极管Q2、所述三极管Q3和所述三极管Q4的导通、截止受脉冲信号的控制。
7.根据权利要求6所述的基于副边开关控制的S-S型恒流无线充电电源，其特征在于：所述三极管Q1～Q4的漏极和源极之间分别串联有二极管QD1、QD2、QD3和QD4。
8.根据权利要求4所述的基于副边开关控制的S-S型恒流无线充电电源，其特征在于：所述逆变电路包括三极管Q1～Q4，所述三极管Q1和所述三极管Q4串联于所述输入滤波电路的输出端之间，所述三极管Q2和所述三极管Q3串联于所述输入滤波电路的输出端之间；所述三极管Q1、所述三极管Q2、所述三极管Q3和所述三极管Q4的导通、截止受脉冲信号的控制。
9.根据权利要求8所述的基于副边开关控制的S-S型恒流无线充电电源，其特征在于：所述三极管Q1～Q4的漏极和源极之间分别串联有二极管QD1、QD2、QD3和QD4。
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