CN109660029A - 双全桥无线电能传输系统软开关电路 - Google Patents

双全桥无线电能传输系统软开关电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种双全桥无线电能传输系统软开关电路及其调制方法，包括八只功率二极管S1‑S8、四只软开关电感L1‑L4、四只软开关电容C1‑C4、两只谐振补偿电容Cp和Cs、发射线圈LTX和接收线圈LRX、两只电解电容Ci和Co，其中软开关电感L1和L2串入原边逆变器的超前臂，而软开关电感L3和L4串入副边逆变器的滞后臂，软开关电容C1和C2并联在原边逆变器的滞后臂，而软开关电容C3和C4并联在副边逆变器的超前臂，软开关电感L1‑L4起到软开通的作用和软开关电容C1‑C4则起到软关断的作用。本发明可应用于大功率谐振型逆变器中，能够同时满足WPT系统线圈传输效率优化条件所要求的阻性输入阻抗和软开关要求，实现一个周期内16次软开关，显著提高电能转换的效率。

Description

双全桥无线电能传输系统软开关电路
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，具体涉及双全桥无线电能传输系统软开关电路。
背景技术
感应式无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)系统能够通过耦合线圈利用磁场传输能量，避免了原副边直接的电的联系，极大的改善了用电体验，目前在电动汽车、智能手机、植入式设备、机器人等领域引起了很多的关注。在WPT系统中，由于原副边的气隙大，耦合线圈间的传输效率受到很大影响，因此对电能传输效率的提升是其重要的研究内容，也是目前限制该供电手段大范围推广的关键技术瓶颈。WPT系统存在唯一的最优负载，对应最大电能传输效率点，但是在电动汽车无线充电应用中，耦合线圈存在对齐问题会导致互感变化，并且电池的等效电阻也是随充电状态而动态改变。若要使WPT系统在互感和负载大范围变化的情况下依然保持较高效率，必须在副边安装负载变换电路，由于DC/DC电路会增加直流侧的损耗，因此利用可控全桥同时实现AC/DC整流和负载变换是目前的研究热点。
一般情况下，双全桥电路能够实现负载变换和功率调节，对耦合线圈传输效率具有显著提升作用，但是其工作时原副边的开关管均存在硬开关状态。由于WPT系统工作频率高，如电动汽车无线充电系统的工作频率在85kHz附近，硬开关会极大降低全桥电路电能转换效率。附图1展示了WPT系统中，软开关条件和线圈传输效率之间的矛盾，全桥电路软开关通常要求负载呈现感性即要求谐振电流Ip的过零点在谐振电压Vp变成高电平之后，但是WPT系统最优线圈传输效率则希望负载呈现阻性即Vp和Ip的基波电压同相位(Zero PhaseAngle，ZPA)，同样地，副边全桥也存在该问题。
综合以上，在双全桥无线电能传输系统现有电路结构中，目前阶段研究人员主要关注双全桥电路功率调节和负载变换的功能，但是忽略了其开关状态，因此仍然需要推出能够同时实现软开关和ZPA的电路。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种双全桥无线电能传输系统软开关电路，能实现软开关和ZPA，同时也能够完成功率调节和负载变换功能。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种双全桥无线电能传输系统软开关电路，包括原边软开关电路和副边软开关电路；其中，
所述原边软开关电路包括开关管S1-S4，软开关电容C1、C2，软开关电感L1、L2，谐振补偿电容Cp和发射线圈LTX，其中开关管S1、S3的漏极和电容C1的一端耦接直流电源的正极，开关管S1的源极耦接电感L1的一端，电感L1的另一端耦接电感L2和发射线圈LTX的一端，电感L2的另一端耦接开关管S2的漏极，发射线圈LTX的另一端耦接电容Cp的一端，电容Cp的另一端耦接开关管S3的源极、S4的漏极、电容C2的一端和电容C1的另一端，开关管S2、S4的源极和电容C2的另一端耦接直流电源的负极；
所述副边软开关电路包括开关管S5-S8，软开关电容C3、C4，软开关电感L3、L4，谐振补偿电容Cs和接收线圈LRX，其中开关管S5、S7的漏极和电容C3的一端耦接负载的第一端，开关管S5的源极耦接开关管S6的漏极、接收线圈LRX及电容C4的一端和电容C3的另一端，接收线圈LRX的另一端耦接电容Cs的一端，开关管S7的源极耦接电感L3的一端，电感L3的另一端耦接电感L4的一端和电容Cs的另一端，电感L4的另一端耦接开关管S8的漏极，开关管S6、S8的源极和电容C4的另一端耦接负载的第二端。
进一步的，所述原边软开关电路还包括耦接于直流电源两端的电解电容Ci，所述副边软开关电路还包括耦接于负载两端的电解电容Co。
进一步的，软开关电感L1、L2、L3、L4，谐振补偿电容Cp、Cs，发射线圈LTX和接收线圈LRX的数值满足如下条件：
L1＝L2
L3＝L4
其中，Lp＝L1+LTX，Ls＝L3+LRX，ω为无线电能传输系统的工作角频率。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明的双全桥无线电能传输系统软开关电路，其软开关电感L1和L2串入原边逆变器的超前臂，而软开关电感L3和L4串入副边逆变器的滞后臂，软开关电容C1和C2并联在原边逆变器的滞后臂，而软开关电容C3和C4并联在副边逆变器的超前臂，从而软开关电感L1-L4起到软开通的作用，软开关电容C1-C4则起到软关断的作用。
同时，当采用本发明软开关电路的WPT系统工作在ω角频率时，原副边均处于完全谐振状态，双全桥的等效阻抗均为阻性，并且能够全部软开关，副边谐振电压相位角可用来实现负载变换，而原边谐振电压相位角则可用于功率调节，能够同时实现软开关、ZPA、负载变换和功率调节，极大地提高WPT系统的效率。
附图说明
图1为软开关与WPT系统ZPA条件的矛盾示意图。
图2是本发明的双全桥无线电能传输系统软开关电路实施例的电路原理图。
图3是本发明中双全桥无线电能传输系统软开关调制方法。
图4是原边全桥软开关部分换流过程示意图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
如图2所示，本发明实施例提供了一种双全桥无线电能传输系统软开关电路，包括由原边软开关电路和副边软开关电路组成的双全桥电路。
具体的，原边软开关电路包括开关管S1-S4，软开关电容C1、C2，软开关电感L1、L2，谐振补偿电容Cp和发射线圈LTX，其中开关管S1、S3的漏极和电容C1的一端耦接直流电源的正极，开关管S1的源极耦接电感L1的一端，电感L1的另一端耦接电感L2和发射线圈LTX的一端，电感L2的另一端耦接开关管S2的漏极，发射线圈LTX的另一端耦接电容Cp的一端，电容Cp的另一端耦接开关管S3的源极、S4的漏极、电容C2的一端和电容C1的另一端，开关管S2、S4的源极和电容C2的另一端耦接直流电源的负极。
副边软开关电路包括开关管S5-S8，软开关电容C3、C4，软开关电感L3、L4，谐振补偿电容Cs和接收线圈LRX，其中开关管S5、S7的漏极和电容C3的一端耦接负载的第一端，开关管S5的源极耦接开关管S6的漏极、接收线圈LRX及电容C4的一端和电容C3的另一端，接收线圈LRX的另一端耦接电容Cs的一端，开关管S7的源极耦接电感L3的一端，电感L3的另一端耦接电感L4的一端和电容Cs的另一端，电感L4的另一端耦接开关管S8的漏极，开关管S6、S8的源极和电容C4的另一端耦接负载的第二端。
进一步的，原边软开关电路还包括耦接于直流电源两端的电解电容Ci，副边软开关电路还包括耦接于负载两端的电解电容Co。
本实施例中的上述各部分电路构成了完整的双全桥无线电能传输系统软开关电路，能够同时实现软开关、ZPA、负载变换和功率调节。软开关包括零电压开通、关断(ZeroVoltage Switching，ZVS)和零电流开通、关断(Zero Current Switching，ZCS)，下表1和表2总结了常规双全桥无线电能传输系统和本实施例中双全桥无线电能传输系统开关状态。
表1常规双全桥无线电能传输系统开关状态总结
表2本发明双全桥无线电能传输系统开关状态总结
可以看出，双全桥无线电能传输系统的8个开关管一个周期内有16次开关状态，常规系统一个周期内存在8次ZVS和8次硬开关，但是本发明的双全桥无线电能传输系统则能实现4次ZCS和12次ZVS，即所有开关管都是软开关状态。下面进行具体说明：
经分析可知，在常规双全桥无线电能传输系统中当满足ZPA时S1、S2、S7和S8必然硬开通，而S3、S4、S5和S6则是硬关断。
而本发明中，软开关电感L1-L4和软开关电容C1-C4构成软开关电路。在MOSFET开关管S1、S2、S7和S8中串入软开关电感L1-L4，在开关管导通瞬间其能够抑制电流上升实现ZCS，而软开关电容C1-C4在开关管关断瞬间能够抑制其两端电压突变，从而实现ZVS。下面以原边电路为例具体分析其开关状态：
在电压源型逆变器中，为防止同一桥臂的上下管直通，需要在控制信号中加入死区时间，在该时间段内上下管均处于关断状态。如图3所示是双全桥无线电能传输系统软开关调制方法，而图4所示是相应的原边全桥S1和S2软开关部分换流过程。图4(a)中，S2和S4处于导通状态，此时原边谐振电流为正，其回路为S2-L2-LTX-Cp-S4；图4(b)中，S2关断，由于存在死区时间，该时间段内S1尚未开通，此时原边谐振电流通过其二极管续流，实现ZVS，电流回路为D2-L2-LTX-Cp-S4；图4(c)中，S1开通，由于软开关电感L1的作用，流过其沟道的电流缓慢上升，从而实现ZCS，此时原边谐振电流由两部分构成，由于软开关电感L1和L2的分压作用，此时Vp的幅值等于0.5Vi；图4(d)中，软开关电感L2的续流结束，原边谐振电流完全流经S1，电流回路变成Vi-S1-L1-LTX-Cp-S4；图4(e)中，S4关断，由于软开关电容C4的作用，S4两端的电压从零缓慢上升，从而确保ZVS，此时原边谐振电流对软开关电容C4充电而对C3放电，存在两个电流回路；图4(f)中，软开关电容C4和C3充放电完成，原边谐振电流通过S3的二极管续流，此时电流回路变成S1-L1-LTX-Cp-D3；图4(g)中，S3ZVS软开通，原边谐振电流回路变成S1-L1-LTX-Cp-S3；图4(h)中，开关管状态保持不变，但是原边谐振电流方向改变；图4(i)中，S1关断，原边谐振电流通过S1的二极管续流，因此实现ZVS软关断，此时电流回路变成L1-D1-S3-Cp-LTX。上述换流过程展现了S1的软开通和软关断过程，其它开关管的工作状态也可依此获得，并可进一步总结如前述表2所示。
进一步的，无线电能传输系统工作在谐振频率时，施加一定的谐振电压即可产生传输电能所需的强磁场，此时系统的效率高，由于软开关电感会引起谐振频率的变化，因此需要对耦合线圈自感和软开关电感进行设计，其值应满足：
L1＝L2 (1)
L3＝L4 (2)
其中，Lp＝L1+LTX，Ls＝L3+LRX，ω为无线电能传输系统的工作角频率。
式(1)和式(2)说明同一桥臂的软开关电感值须相等，式(3)则表明原副边的软开关电感值与线圈自感值之和须相等。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种双全桥无线电能传输系统软开关电路，其特征在于，包括原边软开关电路和副边软开关电路；其中，
所述原边软开关电路包括开关管S1-S4，软开关电容C1、C2，软开关电感L1、L2，谐振补偿电容Cp和发射线圈LTX，其中开关管S1、S3的漏极和电容C1的一端耦接直流电源的正极，开关管S1的源极耦接电感L1的一端，电感L1的另一端耦接电感L2和发射线圈LTX的一端，电感L2的另一端耦接开关管S2的漏极，发射线圈LTX的另一端耦接电容Cp的一端，电容Cp的另一端耦接开关管S3的源极、S4的漏极、电容C2的一端和电容C1的另一端，开关管S2、S4的源极和电容C2的另一端耦接直流电源的负极；
所述副边软开关电路包括开关管S5-S8，软开关电容C3、C4，软开关电感L3、L4，谐振补偿电容Cs和接收线圈LRX，其中开关管S5、S7的漏极和电容C3的一端耦接负载的第一端，开关管S5的源极耦接开关管S6的漏极、接收线圈LRX及电容C4的一端和电容C3的另一端，接收线圈LRX的另一端耦接电容Cs的一端，开关管S7的源极耦接电感L3的一端，电感L3的另一端耦接电感L4的一端和电容Cs的另一端，电感L4的另一端耦接开关管S8的漏极，开关管S6、S8的源极和电容C4的另一端耦接负载的第二端。
2.如权利要求1所述的双全桥无线电能传输系统软开关电路，其特征在于，所述原边软开关电路还包括耦接于直流电源两端的电解电容Ci，所述副边软开关电路还包括耦接于负载两端的电解电容Co。
3.如权利要求1或2所述的双全桥无线电能传输系统软开关电路，其特征在于，软开关电感L1、L2、L3、L4，谐振补偿电容Cp、Cs，发射线圈LTX和接收线圈LRX的数值满足如下条件：
L1＝L2
L3＝L4
其中，Lp＝L1+LTX，Ls＝L3+LRX，ω为无线电能传输系统的工作角频率。
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Application publication date: 20190419

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