CN109818427A - 无线输电系统接收侧的输出调制电路及其mos管控制方法 - Google Patents

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肖文勋
罗嘉林
张波
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Abstract

本发明公开了一种无线输电系统接收侧的输出调制电路及其MOS管控制方法，该输出调制电路包括无线输电接收端串联谐振腔、第一整流二极管、第二整流二极管、第一MOS管、第二MOS管、缓冲电容、续流二极管、输出电感、输出滤波电容和负载，通过移相控制驱动第一MOS管和第二MOS管工作，使得无线输电接收端串联谐振腔的输出电流和输出电压基频分量同频同相，提高无线输电的传输效率。而且，相比于不可控整流器级联DC‑DC变换器这一传统无线输电系统接收侧调制电路，本发明的输出调制电路在实现相同调制功能的同时，可实现体积和成本上的优化。

Description

无线输电系统接收侧的输出调制电路及其MOS管控制方法
技术领域
本发明涉及无线电能传输的技术领域，尤其是指一种无线输电系统接收侧的输出调制电路及其MOS管控制方法。
背景技术
相比于传统的有线输电，无线输电技术实现了电源与负载的电气隔离从而提高了电能传输的安全性、灵活性，因此，该技术在全球各地得到了广泛的关注和研究，其电能传输功率、效率得到明显提高，能够满足不同领域的应用，在移动设备、电动汽车、工业机器人、植入式医疗设备的充电已有研究及应用先例。相信在不久的将来，在某些应用上，无线输电将会取代传统的有线输电。
简单的无线输电系统由直流电源、高频逆变器、发射端补偿网络、耦合线圈、接收端补偿网络、整流器、直流调制器、负载这几部分构成。为了提高电能传输效率、增大传输距离，需要通过设置谐振补偿网络使发射端与接收端工作于同频谐振状态，从而产生足够强的耦合磁场以实现有效的电能传输。2007年，麻省理工学院的学者用耦合模理论研究设计的磁耦合谐振式无线输电系统成功地在2m距离下给灯泡进行无线传能，由此引发了关于磁耦合谐振式无线输电的研究热潮。
而为了满足不同负载输出的需求，一般都要引入输出调制，调制方法主要分为发射端调制和接收端调制。其中发射端调制需要根据接收端信息的反馈来调节逆变器频率或相移从而调制输出，有学者采用无线通信的方式进行反馈，但无线通信的方式无疑会增加系统的成本；有学者采用参数在线估计辨识的方法进行反馈，但可能会涉及到复杂的算法，对控制器的运算能力要求较高。而接收端调制主要是在接收端整流器后级联一个DC-DC变换器从而调制输出，这种方法更为简便直接，而且输出也能得到精确调节。然而增加DC-DC变换器，特别是采用可升降压变换器，会大大增加系统的成本与体积。目前已有学者简单地采用无桥有源整流拓扑来消除级联DC-DC变换器，但这种技术调制范围有限，不能达到无线输电电路级联升降压变换器的调制效果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种无线输电系统接收侧的输出调制电路及其MOS管控制方法，可以通过简化传统无线输电级联系统结构来降低系统成本，减小系统体积，而且又不影响无线输电系统的高效正常运行。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案如下：
无线输电系统接收侧的输出调制电路，包括由无线输电接收端线圈及其串联谐振电容构成的无线输电接收端串联谐振腔、第一整流二极管、第二整流二极管、第一MOS管、第二MOS管、缓冲电容、续流二极管、输出电感、输出滤波电容和负载；其中，所述无线输电接收端串联谐振腔的一端分别与第一整流二极管的阳极和第二整流二极管的阴极连接，其另一端分别与第一MOS管的源极和第二MOS管的漏极连接；所述第一整流二极管的阴极分别与第一MOS管的漏极和缓冲电容的正极连接；所述缓冲电容的负极分别与续流二极管的阳极和输出电感的一端连接；所述输出电感的另一端与输出滤波电容的负极连接；所述第二整流二极管的阳极分别与第二MOS管的源极、续流二极管的阴极和输出滤波电容的正极连接；所述负载并联于输出滤波电容两端。
无线输电系统接收侧的输出调制电路的MOS管控制方法，具体是：在无线输电接收端串联谐振腔输出电流is过零时刻，触发产生矩形波，该矩形波延迟一段时间td后，同时驱动第一MOS管和第二MOS管；延迟时间td根据无线输电接收端串联谐振腔输出电流is的周期T以及矩形波的占空比α进行设置，需满足td＝(1-0.5α)×T/2，在该控制下，无线输电接收端串联谐振腔的输出电压vs与输出电流is的基频分量同相；通过调节矩形波的占空比α并相应调节延迟时间td，对输出电流进行调制。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、相比无线输电系统接收侧不可控整流电路级联Cuk升降压变换电路的方案，本发明可以消除整流输出滤波电容、Cuk输入扼流电感、两个整流二极管，优化成本与体积。
2、相比简单的采用无桥有源整流调制方案，本发明电路的调制范围更大。
3、所采用的MOS管控制方法可保证接收端等效阻抗始终呈阻性，因此不影响无线输电系统的正常运行。
附图说明
图1为本发明的电路图。
图2为本发明的MOS管驱动控制流程图。
图3为本发明工作的模态分析图。
图4为本发明输出调制电路以0.5为占空比的工作波形图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本实施例所提供的无线输电系统接收侧的输出调制电路，包括由无线输电接收端线圈Ls及其串联谐振电容Cs构成的无线输电接收端串联谐振腔1、第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第一MOS管S1、第二MOS管S2、缓冲电容C1、续流二极管D、输出电感L2、输出滤波电容C2和负载RL；所述无线输电接收端串联谐振腔1的一端分别与第一整流二极管D1的阳极和第二整流二极管D2的阴极连接，其另一端分别与第一MOS管S1的源极和第二MOS管S2的漏极连接；所述第一整流二极管D1的阴极分别与第一MOS管S1的漏极和缓冲电容C1的正极连接；所述缓冲电容C1的负极分别与续流二极管D的阳极和输出电感L2的一端连接；所述输出电感L2的另一端与输出滤波电容C2的负极连接；所述第二整流二极管D2的阳极分别与第二MOS管S2的源极、续流二极管D的阴极和输出滤波电容C2的正极连接；所述负载RL并联于输出滤波电容C2两端。
上述无线输电系统接收侧的输出调制电路的MOS管控制方法，具体是：在无线输电接收端串联谐振腔输出电流is过零后，触发产生矩形波，该矩形波延迟一段时间td后，同时驱动第一MOS管和第二MOS管。矩形波脉冲宽度为α×T/2，而具体延迟时间为：
其中，T为电源周期，α为开关管S1、S2驱动占空比。该控制流程可以总结为图2所示的框图。
在上述的控制方法下，一个电源周期内，输出调制器有六个工作模态，分别是：
模态1：接收线圈电流处正半周下降段，两MOS管S1、S2开通。接收端电流短路，缓冲电容C1给负载放电。
模态2：接收线圈电流处负半周上升段，两MOS管S1、S2开通。接收端电流短路，缓冲电容C1给负载放电。
模态3：接收线圈电流处负半周峰值段，两MOS管S1、S2关断。接收端电流给缓冲电容C1充电，输出电感L2电流经续流二极管D续流继续给负载供电。
模态4：接收线圈电流处负半周下降段，两MOS管S1、S2开通，与模态2相同。
模态5：接收线圈电流处正半周上升段，两MOS管S1、S2开通，与模态1相同。
模态6：接收线圈电流处正半周峰值段，两MOS管S1、S2关断。接收端电流给缓冲电容C1充电，输出电感L2电流经续流二极管D续流继续给负载供电。
接收端各模态的等效电路及电流流向如图3所示。
当电路在上述状态下工作，可以使得无线输电接收端串联谐振腔输出电流与输出电压的基频分量同频同相，得到所述串联谐振腔的等效输出电阻Re为：
而理想情况下的输出电流大小为：
其中，Ism为所述无线输电接收端串联谐振腔输出电流is的峰值。
图4是输出调制电路工作占空比为0.5时得到的波形图，其中，第一个子图是两个MOS管(S1、S2)的驱动波形，第二个子图是无线输电接收端串联谐振腔输出电流is的波形，第三个子图是无线输电接收端串联谐振腔输出电压vs的波形，第四个子图是输出电流iout的波形。由图4可知，无线输电接收端串联谐振腔输出电流与输出电压的基频分量基本同相，输出电流呈平稳直流电流，因此验证了本发明的有效性。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.无线输电系统接收侧的输出调制电路，其特征在于：包括由无线输电接收端线圈(Ls)及其串联谐振电容(Cs)构成的无线输电接收端串联谐振腔(1)、第一整流二极管(D1)、第二整流二极管(D2)、第一MOS管(S1)、第二MOS管(S2)、缓冲电容(C1)、续流二极管(D)、输出电感(L2)、输出滤波电容(C2)和负载(RL)；其中，所述无线输电接收端串联谐振腔(1)的一端分别与第一整流二极管(D1)的阳极和第二整流二极管(D2)的阴极连接，其另一端分别与第一MOS管(S1)的源极和第二MOS管(S2)的漏极连接；所述第一整流二极管(D1)的阴极分别与第一MOS管(S1)的漏极和缓冲电容(C1)的正极连接；所述缓冲电容(C1)的负极分别与续流二极管(D)的阳极和输出电感(L2)的一端连接；所述输出电感(L2)的另一端与输出滤波电容(C2)的负极连接；所述第二整流二极管(D2)的阳极分别与第二MOS管(S2)的源极、续流二极管(D)的阴极和输出滤波电容(C2)的正极连接；所述负载(RL)并联于输出滤波电容(C2)两端。
2.权利要求1所述的无线输电系统接收侧的输出调制电路的MOS管控制方法，其特征在于：在无线输电接收端串联谐振腔(1)输出电流is过零时刻，触发产生矩形波，该矩形波延迟一段时间td后，同时驱动第一MOS管(S1)和第二MOS管(S2)；延迟时间td根据无线输电接收端串联谐振腔(1)输出电流is的周期T以及矩形波的占空比α进行设置，需满足td＝(1-0.5α)×T/2，在该控制下，无线输电接收端串联谐振腔(1)的输出电压vs与输出电流is的基频分量同相；通过调节矩形波的占空比α并相应调节延迟时间td，对输出电流进行调制。
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