CN109787371A - 用于无线电能传输系统的磁集成差分e类整流器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于无线电能传输系统的磁集成差分E类整流器，包括：谐振环路，谐振环路由接收线圈和对应的谐振补偿电容构成；两个二极管或可控的半导体开关管，每个二极管或半导体开关管各并联有一个并联电容；以及一个磁集成电感，磁集成电感包括两个耦合线圈，耦合线圈的漏感与对应并联电容的充放电构成谐振；谐振环路的两个输出端分别连接至两个二极管或半导体开关管的负极；每个二极管或半导体开关管的负极各连接至一个耦合线圈的一端，两个耦合线圈的另一端连接至同一个滤波电容，并连接至负载。该整流器不仅可以提高整流器的输出功率与效率，而且减小了整流器的体积。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，特别是一种用于无线电能传输系统的磁集成差分E类整流器。
背景技术
无线电能传输技术由于具有安全、可靠、环境适用性强等有点，正受到越来越多的关注。随着新能源汽车以及智能终端等领域的发展，无线电能传输技术将具有广阔的应用前景。超高频整流器作为兆赫兹磁耦合谐振式无线电能传输系统的重要组成部分，其效率对于系统性能有直接影响。E类整流器具有高频高效性，是近、中距离无线电能传输系统的首选整流拓扑之一。因此，对其进行改进具有重要意义。
图1是无线电能传输系统的基本结构示例。其中的高频整流器部分，现有方案中常用的是传统的全桥式整流器，由于其需要四个二极管，存在较大的二极管压降及反向恢复损耗，使得桥式整流在兆赫兹级别下的工作效率难以提高。尤其是在输出低压大电流的情况下，由于二极管本身的压降及开关损耗，使得传统的桥式整流器限制了无线电能传输系统的应用与性能优化。
传统的全波E类整流器具有高频高效性能，可工作于兆赫兹频率条件下。然而，由于实际电路中电感值的偏差，使得其整流二极管存在不均流问题，造成整流器的温升不均匀，不仅影响了整流器的输出功率，而且还会造成额外的损耗。其次，由于需要两个分立的大电感，使得传统的全波E类整流器中的磁元件，即电感器件体积较大，不利于接收端的小型化。图2是现有的一种用于无线电能传输系统的E类全波整流器方案。该方案相比于传统的全桥式整流具有更高的效率，且适合于工作在兆赫兹的无线电能传输系统中。然而，由于L1和L2是分立的大电感，因此，二极管D1与D2在实际的应用中容易出现不均流的情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于无线电能传输系统的磁集成差分E类整流器，该整流器不仅可以提高整流器的输出功率与效率，而且减小了整流器的体积。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种用于无线电能传输系统的磁集成差分E类整流器，包括：
谐振环路，所述谐振环路由接收线圈和对应的谐振补偿电容构成；
两个二极管或可控的半导体开关管，所述每个二极管或半导体开关管各并联有一个并联电容；以及
一个磁集成电感，所述磁集成电感包括两个耦合线圈，所述耦合线圈的漏感与对应并联电容的充放电构成谐振；
所述谐振环路的两个输出端分别连接至所述两个二极管或半导体开关管的负极；每个二极管或半导体开关管的负极各连接至一个耦合线圈的一端，两个耦合线圈的另一端连接至同一个滤波电容，并连接至负载。
进一步地，设置所述两个耦合线圈间的耦合系数大于0.75，使其漏感分量用于整流器的谐振。
进一步地，所述耦合线圈的漏感与并联电容的谐振频率，与整流器工作频率的比值范围为1.5~1.7。
进一步地，所述磁集成电感包括电感磁芯和所述两个耦合线圈，所述电感磁芯由并排设置的两个E型磁芯和设于所述两个E型磁芯前侧的一个I型磁芯构成，所述E型磁芯为相对磁导率大于第一阈值的高磁导率磁芯，所述I型磁芯为相对磁导率小于第二阈值的低磁导率磁芯，每个E型磁芯的中柱与其左、右侧柱之间分别形成左、右绕线通道，位于左侧的耦合线圈同时穿绕过两个E型磁芯的左绕线通道，位于右侧的耦合线圈同时穿绕过两个E型磁芯的右绕线通道，以形成两个耦合线圈磁路；所述E型磁芯的中柱的高度均低于侧柱的高度，以在中柱与I型磁芯之间形成气隙，用于调整耦合线圈的漏感值。
相较于现有的全波桥式整流及E类整流技术，本发明的有益效果是：不仅可以实现兆赫兹工作频率下的高效率全波整流，而且不需要两个分立电感，而仅需要一个磁集成电感器，由于磁集电感具有自动均流的效果，使得整流器功率二极管或半导体开关管的电流均衡，从而使得其发热均衡，整流器具有更均匀的温升，有利于提高整流器的输出功率与效率。此外，通过电感的磁集成，使得整流器的电感数量降为一个，减小了整流器的体积。
附图说明
图1是现有技术中无线电能传输系统的基本结构示意图。
图2是现有技术中一种用于无线电能传输系统的E类全波整流器示意图。
图3是本发明第一实施例的等效电路图。
图4是本发明第一实施例中磁集成电感的实施结构示意图。
图5是根据传统方案设计的一个不带有磁集成电感的差分E类整流器的二极管电压波形图。
图6是根据本发明设计的一个磁集成差分E类整流器的二极管电压波形图。
图7是本发明第一实施例中磁集成差分E类整流器的电感线圈电流图。
图8是本发明第二实施例的等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
图3是本发明用于无线电能传输系统的磁集成差分E类整流器的第一实施例的等效电路图。如图3所示，该整流器包括：
谐振环路，谐振环路由无线电能传输系统的接收线圈L r 和对应的谐振补偿电容C r 构成；
两个二极管D 1、D 2，二极管D 1、D 2各并联有一个并联电容C 1、C 2；以及
一个磁集成电感，磁集成电感包括两个耦合线圈L out1、L out2，耦合线圈的漏感与对应并联电容的充放电构成谐振；
谐振环路的两个输出端分别连接至二极管D 1、D 2的负极；二极管D 1、D 2的负极各连接至耦合线圈L out1、L out2的一端，耦合线圈L out1、L out2的另一端连接至同一个滤波电容C dc ，滤波电容C dc 的正极连接至负载R L ，即输出总电流i out 经过滤波电容C dc 后输入至负载R L 。
其中，耦合线圈L out1、L out2间具有特定的耦合系数k out 范围，使得其漏感分量用于整流器的谐振。耦合线圈的自感大于其漏感的三倍以上，即两个耦合线圈间的等效耦合系数大于0.75，因此输出电流i out1与输出电流i out2具有均流特性。耦合线圈L out1、L out2的漏感与并联电容C 1、C 2的谐振频率，与整流器工作频率的比值范围为1.5~1.7。
图3中，接收线圈L r 的感应电压表示为交流电压源V sin ，即本发明工作于电压馈电工作模式。根据不同的无线电能传输系统的耦合拓扑，本发明整流器的输入源还可以表示为电流源。根据不同的输入源特性，本发明可工作于电压馈电及电流馈电模式。
图4是本发明第一实施例中磁集成电感的实施结构示意图。其中，磁集成电感包括电感磁芯和两个耦合线圈L out1、L out2。电感磁芯由并排设置的两个E型磁芯M1、M2和设于两个E型磁芯M1、M2前侧的一个I型磁芯M3构成，E型磁芯M1、M2为相对磁导率大于第一阈值（本实施中为200）的高磁导率磁芯，I型磁芯M3为相对磁导率小于第二阈值（本实施中为100）的低磁导率磁芯，即E型磁芯的磁导率大于I型磁芯的磁导率。该混合磁芯结构避免了磁芯在线圈直流偏置条件下的饱和，并保证输出电感的线圈自感值足够大。每个E型磁芯的中柱与其左、右侧柱之间分别形成左、右绕线通道，位于左侧的耦合线圈L out1同时穿绕过两个E型磁芯M1、M2的左绕线通道，位于右侧的耦合线圈L out2同时穿绕过两个E型磁芯的右绕线通道，以形成两个耦合线圈磁路。E型磁芯M1、M2的中柱的高度均低于侧柱的高度，以在中柱与I型磁芯M3之间形成气隙，通过气隙大小的控制，实现漏感值的精确调整。采用图4中的方案可以实现耦合线圈漏感，即L f 的精确控制。这与传统的变压器或磁集成方案有很大不同。根据不同的设计，磁集成电感也可采用不同的耦合电感结构。
本实施例中整流器的工作状态可以分为四个阶段，即：(1) D1导通，D2关断；(2) D1关断，D2关断；(3) D1关断，D2导通；(4) D1关断，D2关断。上述四个工作状态循环。当二极管关断时，对应的并联电容进行充放电，与耦合线圈的漏感构成等效谐振。
在本发明的参数设计中，接收线圈L r 环路的谐振环路Q值足够大，使得输入的电压与电流均接近正线。为了使整流器在额定负载下实现最佳效率，即二极管在反向关断时的电压与电流均为零，实现最小的反向恢复损耗。整流器的参数设计满足：
其中，q表示漏感与并联电容的谐振频率，与整流器工作频率的比值。C f 为C 1与C 2的电容值，L out 为L out1与L out2的自感值，L f 为等效谐振电感值，ω为工作角频率，p为负载参数。上述参数设计与传统的E类整流器有很大不同，首先，输出电感的线圈所通过的电流有较大的交流分量；第二，等效谐振电感值L f 远小于传统的全波E类整流器的输出直流电感值；第三，上述参数设计值为针对本发明而重新推导的设计值，实现零电压零电流反向关断的参数设计值与传统的设计有很大不同。
图5为根据传统方案设计的一个48伏、340W输出的不带有磁集成电感的差分E类整流器的二极管电压实测波形。由波形可以看出，不带有磁集成电感的二极管波形在轻载（50瓦）条件下的D1与D2波形存在不平衡。图6为根据本发明设计的一个48伏、350W的磁集成差分E类整流器的二极管电压实测波形。由图6可以看出，采用本发明方案，二极管电压在轻载至满载下的电压波形均是对称的。这有利于二极管的温升均衡，从而提高整流效率。如图7所示，由于采用了磁集成电感，本发明的磁集成差分E类整流器的电感线圈电流（I out1或I out2）与现有的整流器均有所不同。首先，其电感电流有较大的交流分量；其次，由于电感线圈强制均流，其谐波含量中的偶次谐波被抑制，仅有基波与奇次谐波电流。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
图8是本发明磁集成差分E类整流器的第二实施例的等效电路图。如图8所示，该整流器中的两个二极管D 1、D 2也可采用可控的半导体开关管D 1、D 2代替，从而降低整流器的损耗。而整流器的其他结构和设计参数与第一实施例相同。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种用于无线电能传输系统的磁集成差分E类整流器，其特征在于，包括：
谐振环路，所述谐振环路由接收线圈和对应的谐振补偿电容构成；
两个二极管或可控的半导体开关管，所述每个二极管或半导体开关管各并联有一个并联电容；以及
一个磁集成电感，所述磁集成电感包括两个耦合线圈，所述耦合线圈的漏感与对应并联电容的充放电构成谐振；
所述谐振环路的两个输出端分别连接至所述两个二极管或半导体开关管的负极；每个二极管或半导体开关管的负极各连接至一个耦合线圈的一端，两个耦合线圈的另一端连接至同一个滤波电容，并连接至负载。
2.根据权利要求1所述的用于无线电能传输系统的磁集成差分E类整流器，其特征在于，设置所述两个耦合线圈间的耦合系数大于0.75，使其漏感分量用于整流器的谐振。
3.根据权利要求1所述的用于无线电能传输系统的磁集成差分E类整流器，其特征在于，所述耦合线圈的漏感与并联电容的谐振频率，与整流器工作频率的比值范围为1.5~1.7。
4.根据权利要求1所述的用于无线电能传输系统的磁集成差分E类整流器，其特征在于，所述磁集成电感包括电感磁芯和所述两个耦合线圈，所述电感磁芯由并排设置的两个E型磁芯和设于所述两个E型磁芯前侧的一个I型磁芯构成，所述E型磁芯为相对磁导率大于第一阈值的高磁导率磁芯，所述I型磁芯为相对磁导率小于第二阈值的低磁导率磁芯，每个E型磁芯的中柱与其左、右侧柱之间分别形成左、右绕线通道，位于左侧的耦合线圈同时穿绕过两个E型磁芯的左绕线通道，位于右侧的耦合线圈同时穿绕过两个E型磁芯的右绕线通道，以形成两个耦合线圈磁路；所述E型磁芯的中柱的高度均低于侧柱的高度，以在中柱与I型磁芯之间形成气隙，用于调整耦合线圈的漏感值。
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