CN109639164B - 一种用于无线电能传输的可调输出电压的整流器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于无线电能传输的可调输出电压的整流器，涉及无线电能传输技术领域，整流器前端连接有接收线圈和接收补偿电容，后端连接有负载，整流器包括桥式整流电路和同步信号检测电路，桥式整流电路包括MOS管1、MOS管2、MOS管3、MOS管4和对应的MOS管驱动芯片ON1、ON2、ON3和ON4。同步信号检测电路包括用于采集整流器输入电压的一级分压电路、采集整流器输出电压的二级分压电路、PI控制器、电压比较器COMP1和COMP2、电容C4和C5，一级分压电路包括电阻R1、R2、R3和R4，二级分压电路包括电阻R5和R6。本发明通过同步整流与移相的结合，降低了无线电能传输接收端整流损耗，降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，具体涉及一种用于无线电能传输的可调输出电压的整流器。
背景技术
无线电能传输又称无线电力传输，非接触电能传输，是指通过发射器将电能转换为其他形式的中继能量，隔空传输一段距离后，再通过接收器将中继能量转换为电能，实现无线电能传输。无线电能传输系统包括通过磁场来传递能量的无线发射端和无线接收端，无线接收端的整流器(rectifier)是把交流电转换成直流电的装置，可用于供电装置及侦测无线电信号等，整流器可以由真空管、引燃管、固态矽半导体二极管、汞弧等制成。
现有技术中，无线接收端多采用二极管进行整流，整流二极管的导通压降越高，整流二极管的损耗越突出。例如，采用快恢复二极管(FRD)或超快恢复二极管(SRD)，损耗可达1.0～1.2V，即使采用低压降的肖特基二极管(SBD)，也会产生大约0.6V的压降，整流损耗增大，传输效率降低。同时，使用二极管整流的输出电压不可调，需要在整流输出后加DC-DC转换电路，增加了元器件数量，降低了系统效率。
发明内容
本发明的目的在于：为解决无线接收端因二极管整流损耗而导致传输效率低，同时二极管整流的输出电压不可调而需要增加元器件，降低了系统效率并提高了生产成本的问题，提供了一种用于无线电能传输的可调输出电压的整流器。
本发明采用的技术方案如下：
一种用于无线电能传输的可调输出电压的整流器，所述整流器前端连接有串联连接的接收线圈L1和接收补偿电容C1，后端连接有负载，所述整流器包括由MOS管组成的桥式整流电路、用于检测整流器输入电压和输出电压并控制整流器输出电压的同步信号检测电路。
进一步地，所述桥式整流电路包括MOS管1、MOS管2、MOS管3、MOS管4和对应的MOS管驱动芯片ON1、ON2、ON3和ON4；
MOS管1漏极分别连接MOS管2漏极和接收补偿电容C1端1、栅极连接MOS管驱动芯片ON1后连接同步信号检测电路、源极分别连接MOS管3源极和负载；
MOS管2栅极连接MOS管驱动芯片ON2后连接同步信号检测电路、源极分别连接MOS管4源极和负载；
MOS管3栅极连接MOS管驱动芯片ON3后连接同步信号检测电路、漏极分别连接MOS管4漏极和接收线圈L1端1；
MOS管4栅极连接MOS管驱动芯片ON4后连接同步信号检测电路、源极分别连接MOS管2源极和负载；
所述同步信号检测电路包括用于采集整流器的输入电压的一级分压电路、采集整流器的输出电压的二级分压电路、PI控制器、电压比较器COMP1和COMP2、电容C4和C5，所述一级分压电路包括电阻R1、R2、R3和R4，所述二级分压电路包括电阻R5和R6；
电阻R1一端连接接收补偿电容C1端1，另一端分别连接电阻R2和电压比较器COMP1正相输入端，电阻R2另一端接地；
电阻R3一端连接接收线圈L1端1，另一端分别连接电阻R4和电压比较器COMP2正相输入端，电阻R4另一端接地；
负载与串联连接的电阻R5和R6并联连接，电阻R5和R6之间连接PI控制器一端，PI控制器另一端连接并联连接的电容C4和C5后连接电压比较器COMP1、COMP2反相输入端；
电压比较器COMP1输出端分别连接MOS管驱动芯片ON1、ON4；
电压比较器COMP2输出端分别连接MOS管驱动芯片ON2、ON3；
接收线圈L1端2连接接收补偿电容C1端2，接收线圈L1端1分别连接电阻R3、MOS管3漏极、MOS管4漏极，接收补偿电容C1端1分别连接电阻R1、MOS管1漏极、MOS管2漏极。
进一步地，所述桥式整流电路后端还连接有对输出电压进行稳压和滤波的滤波及稳压电路，所述滤波及稳压电路包括MOS管1、MOS管3源极共同连接后连接的电感L2和与负载并联连接的电容C2、C3。
进一步地，所述MOS管1、MOS管2、MOS管3、MOS管4均选用低源漏开态电阻的MOSFET管。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，通过电阻R1、R2、R3和R4对整流器的输入电压进行采集、电阻R5和R6对整流器的输出电压进行采集，PI控制器通过采集到的输出电压控制PWM的输出占空比，PWM的输出电压通过电容C4和C5平均后得到电压比较器COMP1、COMP2的比较电压Vref。电压比较器COMP1、COMP2根据采集到的电压与当前比较电压Vref的大小关系输出高电平或低电平，从而导通对应的MOS管。由于输入电压周期性变化，MOS管1、MOS管4和MOS管2、MOS管3交替导通。通过改变比较电压大小，可改变电压比较器输出方波的占空比，进而改变经整流器输出的输出电压。通过移相来控制整流器的输出电压，减少了器件数量，降低了生产成本。
2、本发明中，通过采用通态电阻极低的专用功率MOSFET取代现有整流器采用的整流二极管，降低了整流器损耗。通过电感L2、电容C2、电容C3对输出电压进行稳压及滤波，电路简单，设计合理，实用性高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的整体电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本发明较佳实施例提供的一种用于无线电能传输的可调输出电压的整流器，整流器前端连接有串联连接的接收线圈L1和接收补偿电容C1，后端连接有负载，整流器包括由MOS管组成的桥式整流电路、用于检测整流器输入电压和输出电压并控制整流器输出电压的同步信号检测电路。
其中，桥式整流电路包括MOS管1、MOS管2、MOS管3、MOS管4和对应的MOS管驱动芯片ON1、ON2、ON3和ON4。其中，MOS管驱动芯片ON1、ON2、ON3和ON4可替换为由分立元件搭建的驱动电路。桥式整流电路中各元器件的连接关系具体为：
MOS管1漏极分别连接MOS管2漏极和接收补偿电容C1端1、栅极连接MOS管驱动芯片ON1后连接同步信号检测电路、源极分别连接MOS管3源极和负载；
MOS管2栅极连接MOS管驱动芯片ON2后连接同步信号检测电路、源极分别连接MOS管4源极和负载；
MOS管3栅极连接MOS管驱动芯片ON3后连接同步信号检测电路、漏极分别连接MOS管4漏极和接收线圈L1端1；
MOS管4栅极连接MOS管驱动芯片ON4后连接同步信号检测电路、源极分别连接MOS管2源极和负载。
同步信号检测电路包括用于采集整流器的输入电压的一级分压电路、采集整流器的输出电压的二级分压电路、PI控制器、电压比较器COMP1和COMP2、电容C4和C5，所述一级分压电路包括电阻R1、R2、R3和R4，所述二级分压电路包括电阻R5和R6；
电阻R1一端连接接收补偿电容C1端1，另一端分别连接电阻R2和电压比较器COMP1正相输入端，电阻R2另一端接地；
电阻R3一端连接接收线圈L1端1，另一端分别连接电阻R4和电压比较器COMP2正相输入端，电阻R4另一端接地；
负载与串联连接的电阻R5和R6并联连接，电阻R5和R6之间连接PI控制器一端，PI控制器另一端连接并联连接的电容C4和C5后连接电压比较器COMP1、COMP2反相输入端；
电压比较器COMP1输出端分别连接MOS管驱动芯片ON1、ON4；
电压比较器COMP2输出端分别连接MOS管驱动芯片ON2、ON3。
接收线圈L1端2连接接收补偿电容C1端2，接收线圈L1端1分别连接电阻R3、MOS管3漏极、MOS管4漏极，接收补偿电容C1端1分别连接电阻R1、MOS管1漏极、MOS管2漏极。
工作原理如下：通过电阻R1、R2、R3和R4对整流器的输入电压进行采集、电阻R5和R6对整流器的输出电压进行采集，PI控制器通过采集到的输出电压控制PWM的输出占空比。PWM的输出电压通过电容C4和C5平均后得到电压比较器COMP1、COMP2的比较电压Vref。当电阻R1、R2采集到的电压大于比较电压Vref时，电压比较器COMP1输出高电平，使MOS管1、MOS管4导通。当电阻R3、R4采集到的电压大于比较电压Vref时，电压比较器COMP2输出高电平，使MOS管2、MOS管3导通。在PI控制器的作用下改变比较电压Vref，可改变电压比较器输出方波的占空比，进而改变经整流器输出的输出电压。
本设计中，MOS管型号选用STW69N65M5，电阻R1、R2、R3和R4的选择应确保电压比较器COMP1、COMP2的输入电压不超过自身允许电压。电阻R5和R6的型号根据整流器的输出电压选择，需确保经过分压后的电压值不超过5V。本发明通过采用通态电阻极低的专用功率MOSFET取代现有的整流二极管，降低了整流器损耗。通过移相来控制整流器的输出电压，减少了器件数量，降低了生产成本。
实施例2
在实施例一的基础上，桥式整流电路后端还连接有对输出电压进行稳压和滤波的滤波及稳压电路，滤波及稳压电路包括MOS管1、MOS管3源极共同连接后连接的电感L2和与负载并联连接的电容C2、C3，通过电感L2、电容C2和C3对输出电压进行稳压及滤波，电路简单，设计合理，实用性高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种用于无线电能传输的可调输出电压的整流器，所述整流器前端连接有串联连接的接收线圈L1和接收补偿电容C1，后端连接有负载，其特征在于：所述整流器包括由MOS管组成的桥式整流电路、用于检测整流器输入电压和输出电压并控制整流器输出电压的同步信号检测电路；
所述桥式整流电路包括MOS管1、MOS管2、MOS管3、MOS管4和对应的MOS管驱动芯片ON1、ON2、ON3和ON4；
MOS管1漏极分别连接MOS管2漏极和接收补偿电容C1端1、栅极连接MOS管驱动芯片ON1后连接同步信号检测电路、源极分别连接MOS管3源极和负载；
MOS管2栅极连接MOS管驱动芯片ON2后连接同步信号检测电路、源极分别连接MOS管4源极和负载；
MOS管3栅极连接MOS管驱动芯片ON3后连接同步信号检测电路、漏极分别连接MOS管4漏极和接收线圈L1端1；
MOS管4栅极连接MOS管驱动芯片ON4后连接同步信号检测电路、源极分别连接MOS管2源极和负载；
所述同步信号检测电路包括用于采集整流器的输入电压的一级分压电路、采集整流器的输出电压的二级分压电路、PI控制器、电压比较器COMP1和COMP2、电容C4和C5，所述一级分压电路包括电阻R1、R2、R3和R4，所述二级分压电路包括电阻R5和R6；
电阻R1一端连接接收补偿电容C1端1，另一端分别连接电阻R2和电压比较器COMP1正相输入端，电阻R2另一端接地；
电阻R3一端连接接收线圈L1端1，另一端分别连接电阻R4和电压比较器COMP2正相输入端，电阻R4另一端接地；
负载与串联连接的电阻R5和R6并联连接，电阻R5和R6之间连接PI控制器一端，PI控制器另一端连接并联连接的电容C4和C5后连接电压比较器COMP1、COMP2反相输入端；
电压比较器COMP1输出端分别连接MOS管驱动芯片ON1、ON4；
电压比较器COMP2输出端分别连接MOS管驱动芯片ON2、ON3；
接收线圈L1端2连接接收补偿电容C1端2，接收线圈L1端1分别连接电阻R3、MOS管3漏极、MOS管4漏极，接收补偿电容C1端1分别连接电阻R1、MOS管1漏极、MOS管2漏极。
2.根据权利要求1所述的一种用于无线电能传输的可调输出电压的整流器，其特征在于：所述桥式整流电路后端还连接有对输出电压进行稳压和滤波的滤波及稳压电路，所述滤波及稳压电路包括MOS管1、MOS管3源极共同连接后连接的电感L2和与负载并联连接的电容C2、C3。
3.根据权利要求1所述的一种用于无线电能传输的可调输出电压的整流器，其特征在于：所述MOS管1、MOS管2、MOS管3、MOS管4均选用低源漏开态电阻的MOSFET管。
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