CN110401267A - 一种半桥谐振逆变型磁耦合谐振式无线充电电源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线充电电源技术领域，尤其是指一种半桥谐振逆变型磁耦合谐振式无线充电电源，其包括发射端电路和接收端电路，发射端电路包括EMI滤波电路、第一整流滤波电路、半桥LCC谐振逆变电路、第一辅助电源、第一信号调理电路、控制电路和第一通信电路；接收端电路主要包括并联谐振电路、第二整流滤波电路、第二辅助电源、第二信号调理电路和第二通信电路。本发明将逆变拓扑与谐振拓扑结合，从而实现输入功率的调节，减小发射端体积和重量；通过第一通信电路和第二通信电路实现发射端和接收端电路的无线通信，在提高电源动静态性能的同时，保证接收端电路具有体积小、结构简单等优点，具有良好的市场应用价值。

Description

一种半桥谐振逆变型磁耦合谐振式无线充电电源
技术领域
本发明涉及无线充电电源技术领域，尤其是指一种半桥谐振逆变型磁耦合谐振式无线充电电源。
背景技术
无线充电技术(wireless charging technology，WCT)，又称为无线电能传输(wireless power transfer，WPT)，是指不通过传统导线连接，而是利用电场、磁场、微波或者激光等传导介质来实现电能的无线传输，其非接触式充电的特点具有无导线限制、无插拔、少危险等优势。无线充电是实现能源便捷高效利用的重要途径，在电动汽车充电、航空航天器供能、便携式移动设备充电、医疗器械设备充电和煤矿油田开采、能源化工、水下作业等特殊领域具有广阔的应用前景。
无线充电技术主要可分为电磁感应式、磁耦合谐振式、电场耦合式、无线电波式四种。其中，磁耦合谐振式无线充电因其传输距离远、传输功率大、对介质依赖性小、穿透性强等优点而成为无线充电领域的主要研究方向，其基本原理是在一定频率的高频交流电激励下，发射端线圈与电容发生谐振产生交变近磁场，通过电磁耦合谐振，接收端线圈与电容将磁能转换为电能输出到后级负载，从而完成能量交换。
磁耦合谐振式无线充电电源电路可分为发射端电路和接收端电路。发射端逆变电路是磁耦合谐振式无线充电电源的重要组成部分，其作用是是将直流电转化为供谐振线圈工作所需的高频交流电，常用于无线充电系统的逆变电路主要有E类逆变电路、D类逆变电路、半桥逆变电路和全桥逆式变电路等拓扑结构。中、大功率逆变电路多用半桥逆变和全桥逆变电路，两者相比半桥逆变器具有器件少、控制较简单的优点。
磁耦合谐振式无线充电电源高效传输的关键是系统工作在谐振状态，对于设计完成的线圈谐振器，要求电源与谐振器之间的频率要保持一致，常见的谐振拓扑主要有四种：发射端串联谐振，接收端串联谐振(SS)；发射端串联谐振，接收端并联谐振(SP)；发射端并联谐振，接收端串联谐振(PS)；发射端并联谐振，接收端并联谐振(PP)。
目前，磁耦合谐振式无线充电电源的谐振拓扑和半桥逆变拓扑相互分离独立，需要容量大的谐振电容，增加电源体积和重量，阻碍了半桥逆变在无线充电电源的应用推广。在功率输出调节上，已有的无线充电电源多在接收端电路中加入DC-DC变换器，对充电电压进行控制。当功率等级提高时，由于电感和电容的存在，接收端电路体积急剧增大，这与接收端设备小型化需求矛盾。
发明内容
本发明针对现有技术的问题提供一种半桥谐振逆变型磁耦合谐振式无线充电电源，将逆变拓扑与谐振拓扑结合，提出一种发射端半桥LCC谐振逆变拓扑，将对称均压电容作为谐振电容，通过占空比、频率等调节来控制谐振电压和电流，从而实现输入功率的调节，减小发射端体积和重量；通过第一通信电路和第二通信电路实现发射端和接收端电路的无线通信，第二通信电路将接收端电路的输出电压电流数据传输到第一通信电路，第一通信电路再将数据传输到发射端主控芯片中处理，从而实现接收端输出电流的闭环控制，在提高电源动静态性能的同时，保证接收端电路具有体积小、结构简单等优点，具有良好的市场应用价值。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供的一种半桥谐振逆变型磁耦合谐振式无线充电电源，包括发射端电路和接收端电路，发射端电路包括EMI滤波电路、第一整流滤波电路、半桥LCC谐振逆变电路、第一辅助电源、第一信号调理电路、控制电路和第一通信电路；接收端电路主要包括并联谐振电路、第二整流滤波电路、第二辅助电源、第二信号调理电路和第二通信电路；
所述EMI滤波电路的输入端连接至电网，用于滤除电网电压的共模和差模干扰，抑制电源向外发出电磁干扰；
所述第一整流滤波电路的输入端连接至所述EMI滤波电路的输出端，用于将输入的交流电网电压转换成稳定的直流电压；
所述半桥LCC谐振逆变电路的输入端连接至所述第一整流滤波电路的输出端，用于将直流电压逆变成高频交流电压，激励谐振线圈和谐振电容，产生强耦合磁场；
所述并联谐振电路用于通过与强耦合磁场发生电磁耦合谐振产生接收回路输入交流电压；
所述第二整流滤波电路的输入端连接至并联谐振电路，用于将输入交流电压转换成直流电压输出到负载；
所述第一辅助电源和第二辅助电源分别用于为发射端电路和接收端电路供电；
所述第一通信电路将发射端的控制信号传输到接收端，所述第二通信电路用于将接收端电压电流数据传输到发射端；
所述第一信号调理电路和第二信号调理电路分别用于对发射端和接收端的电压电流信号进行采样和处理。
其中，所述半桥LCC谐振逆变电路包括第一电容CP1、第二电容CP2、第一开关管VT1、第二开关管VT2和发射线圈LP，所述第一电容CP1的一端与第一开关管VT1的集电极连接，所述第一电容CP1的另一端和第二电容CP2的一端连接，所述第一开关管VT1的发射极与第二开关管VT2的集电极连接，所述第二电容CP2的另一端与第二开关管VT2的发射极连接，所述发射线圈LP连接在第一电容CP1的另一端和第一开关管VT1的发射极之间。
其中，所述第一通信电路包括第一通信芯片PIC16F1828和第一2.4G通信模块JF24D，第一通信芯片PIC16F1828的13引脚、10引脚、11引脚、9引脚、12引脚以及17引脚分别与第一2.4G通信模块JF24D的2引脚、3引脚、4引脚、5引脚、6引脚以及8引脚相连，第一2.4G通信模块JF24D的1引脚接3.3V第一辅助电源，第一2.4G通信模块JF24D的10脚接地。
其中，所述第二无线通信电路包括第二通信芯片PIC16F1828和第二2.4G通信模块JF24D，第二通信芯片PIC16F1828的13引脚、10引脚、11引脚、9引脚、12引脚以及17引脚分别与第二2.4G通信模块JF24D的2引脚、3引脚、4引脚、5引脚、6引脚以及8引脚相连，第二2.4G通信模块JF24D的1引脚接3.3V第二辅助电源，10脚接地。
其中，所述并联谐振电路包括接收线圈LS和第三电容CS；所述接收线圈LS和第三电容CS并联。
其中，所述第一整流滤波电路包括整流桥VD1、第一滤波电感L1和第一滤波电容C1，整流桥VD1输出端连接至第一后级LC滤波器，第一后级LC滤波器由第一滤波电感L1和第一滤波电容C1串联形成。
其中，所述第二整流滤波电路包括整流桥VD2、第二滤波电感L2和第二滤波电容C2，整流桥VD2输出端连接至第二后级LC滤波器，第二后级LC滤波器由第二滤波电感L2和第二滤波电容C2串联形成。本发明的有益效果：
本发明将逆变拓扑与谐振拓扑结合，提出一种发射端半桥LCC谐振逆变拓扑，将对称均压电容作为谐振电容，通过占空比、频率等调节来控制谐振电压和电流，从而实现输入功率的调节，减小发射端体积和重量；通过第一通信电路和第二通信电路实现发射端和接收端电路的无线通信，第二通信电路将接收端电路的输出电压电流数据传输到第一通信电路，第一通信电路再将数据传输到发射端主控芯片中处理，从而实现接收端输出电流的闭环控制，在提高电源动静态性能的同时，保证接收端电路具有体积小、结构简单等优点，具有良好的市场应用价值。
附图说明
图1为本发明的一种半桥谐振逆变型磁耦合谐振式无线充电电源的原理框图。
图2为本发明的第一整流滤波电路、半桥LCC谐振逆变电路、并联谐振电路和第二整流滤波电路的电路图。
图3为本发明的第一通信电路和第二通信电路的电路图。
图4为本发明的半桥LCC谐振逆变电路的电路图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。以下结合附图对本发明进行详细的描述。
一种半桥谐振逆变型磁耦合谐振式无线充电电源，如图1至图4所示，包括发射端电路和接收端电路，发射端电路包括EMI滤波电路、第一整流滤波电路、半桥LCC谐振逆变电路、第一辅助电源、第一信号调理电路、控制电路和第一通信电路；接收端电路主要包括并联谐振电路、第二整流滤波电路、第二辅助电源、第二信号调理电路和第二通信电路；
所述EMI滤波电路的输入端连接至电网，用于滤除电网电压的共模和差模干扰，抑制电源向外发出电磁干扰；
所述第一整流滤波电路的输入端连接至所述EMI滤波电路的输出端，用于将输入的交流电网电压转换成稳定的直流电压；
所述半桥LCC谐振逆变电路的输入端连接至所述第一整流滤波电路的输出端，用于将直流电压逆变成高频交流电压，激励谐振线圈和谐振电容，产生强耦合磁场；
所述并联谐振电路用于通过与强耦合磁场发生电磁耦合谐振产生接收回路输入交流电压；
所述第二整流滤波电路的输入端连接至并联谐振电路，用于将输入交流电压转换成直流电压输出到负载；
所述第一辅助电源和第二辅助电源分别用于为发射端电路和接收端电路供电；
所述第一通信电路将发射端的控制信号传输到接收端，所述第二通信电路用于将接收端电压电流数据传输到发射端；
所述第一信号调理电路和第二信号调理电路分别用于对发射端和接收端的电压电流信号进行采样和处理。
其中，所述控制电路用于实现对整个充电电源工作的控制，包括信号处理、保护预警、功率调节等等。
具体地，本发明将逆变拓扑与谐振拓扑结合，提出一种发射端半桥LCC谐振逆变拓扑，将对称均压电容作为谐振电容，通过占空比、频率等调节来控制谐振电压和电流，从而实现输入功率的调节，减小发射端体积和重量；通过第一通信电路和第二通信电路实现发射端和接收端电路的无线通信，第二通信电路将接收端电路的输出电压电流数据传输到第一通信电路，第一通信电路再将数据传输到发射端主控芯片中处理，从而实现接收端输出电流的闭环控制，在提高电源动静态性能的同时，保证接收端电路具有体积小、结构简单等优点，具有良好的市场应用价值。
本实施例所述的一种半桥谐振逆变型磁耦合谐振式无线充电电源，所述半桥LCC谐振逆变电路包括第一电容CP1、第二电容CP2、第一开关管VT1、第二开关管VT2和发射线圈LP，所述第一电容CP1的一端与第一开关管VT1的集电极连接，所述第一电容CP1的另一端和第二电容CP2的一端连接，所述第一开关管VT1的发射极与第二开关管VT2的集电极连接，所述第二电容CP2的另一端与第二开关管VT2的发射极连接，所述发射线圈LP连接在第一电容CP1的另一端和第一开关管VT1的发射极之间。
本实施例所述的一种半桥谐振逆变型磁耦合谐振式无线充电电源，所述第一通信电路包括第一通信芯片PIC16F1828和第一2.4G通信模块JF24D，第一通信芯片PIC16F1828的13引脚、10引脚、11引脚、9引脚、12引脚以及17引脚分别与第一2.4G通信模块JF24D的2引脚、3引脚、4引脚、5引脚、6引脚以及8引脚相连，第一2.4G通信模块JF24D的1引脚接3.3V第一辅助电源，第一2.4G通信模块JF24D的10脚接地。
本实施例所述的一种半桥谐振逆变型磁耦合谐振式无线充电电源，所述第二无线通信电路包括第二通信芯片PIC16F1828和第二2.4G通信模块JF24D，第二通信芯片PIC16F1828的13引脚、10引脚、11引脚、9引脚、12引脚以及17引脚分别与第二2.4G通信模块JF24D的2引脚、3引脚、4引脚、5引脚、6引脚以及8引脚相连，第二2.4G通信模块JF24D的1引脚接3.3V第二辅助电源，10脚接地。
本实施例所述的一种半桥谐振逆变型磁耦合谐振式无线充电电源，所述并联谐振电路包括接收线圈LS和第三电容CS；所述接收线圈LS和第三电容CS并联。
本实施例所述的一种半桥谐振逆变型磁耦合谐振式无线充电电源，所述第一整流滤波电路包括整流桥VD1、第一滤波电感L1和第一滤波电容C1，整流桥VD1输出端连接至第一后级LC滤波器，第一后级LC滤波器由第一滤波电感L1和第一滤波电容C1串联形成。
本实施例所述的一种半桥谐振逆变型磁耦合谐振式无线充电电源，所述第二整流滤波电路包括整流桥VD2、第二滤波电感L2和第二滤波电容C2，整流桥VD2输出端连接至第二后级LC滤波器，第二后级LC滤波器由第二滤波电感L2和第二滤波电容C2串联形成。
本发明的基本工作原理如下：
电网输入220V交流电到发射端电路，首先经第一整流滤波电路后，输出稳定的直流电压，然后通过半桥LCC谐振逆变电路变换为高频交流电压，产生谐振电压和谐振电流，从而在发射线圈的近场产生强耦合磁场；接收端电路的并联谐振电路通过电磁耦合谐振产生接收回路输入电压，输入的交流电压经第二整流滤波电路后，输出直流电压到负载。
为了方便对半桥LCC谐振逆变电路进行工作模态分析，将前级AC-DC整流滤波电路理想化为310V直流电压源，将接收端电路的负载反映到发射端电路，可以得到如图4所示的半桥谐振逆变电路结构简化图，包括310V直流电源Vg、第一开关管VT1、第二开关管VT2、第一电容CP1、第二电容CP2、发射线圈LP和反映阻抗Zref。
按开关管的通断情况和电流回路状态，可分为六种模态。
模态1：所述第一开关管VT1导通，第二开关管VT2关断，电流回路为：Vg→VT1→LP+Zref→CP2→Vg和Vg→CP1→CP2→Vg；
模态2：所述第一开关管VT1关断，第二开关管VT2关断，第二开关管VT2寄生二极管续流，直至谐振回路电流减小为0；
模态3：所述第一开关管VT1关断，第二开关管VT2关断，紧随模态2之后，回路开路无电流；
模态4：所述第一开关管VT1关断，第二开关管VT2导通，电流回路为：Vg→CP1→LP+Zref→VT2→Vg和Vg→CP1→CP2→Vg；
模态5：所述第一开关管VT1关断，第二开关管VT2关断，第一开关管VT1寄生二极管续流，直至谐振回路电流减小为0；
模态6：所述第一开关管VT1关断，第二开关管VT2关断，紧随模态5之后，回路开路无电流。
可见，模态1、2、3与模态4、5、6的工作状态分别相似，半桥谐振逆变电路工作过程具有类似全桥逆变器的对称性。逆变电路驱动方波中心互补对称，取占空比D＝0.5，则逆变电路工作过程只剩下完全对称的模态1和模态4，可以等效为一个方波电源uH。
所述第一电容和第二电容取值相同，即谐振电容为CP1＝CP2＝CP0，则LCC串并谐振回路的总阻抗为：
令Im(Zp)的分子和分母分别等于零，可求得：
分子为零：
分母为零：
当逆变方波角频率w＝w1时，电路发生串联谐振，逆变方波电源激励线圈LP产生谐振电流。因此，选择w1作为逆变电路的谐振角频率。
令CP＝2CP0，则可将半桥LCC谐振逆变电路等效为串联谐振等效电路。为了保证无线充电系统工作在磁共振状态，收发线圈谐振频率需要保持一致，则有
2.4GHz无线通信相比较其他无线通信方式，具有功耗低、成本低、体积小等明显的优势。因此，基于2.4GHz无线收发模块JF24D在无线充电的发射端和接收端建立双向通信，如图3的第一通信电路和第二通信电路的电路图。基本工作过程如下：
第二通信电路将接收端电路的输出电压电流数据传输到第一通信电路，第一通信电路再将数据传输到发射端控制电路中处理，从而实现接收端输出电流的闭环控制，提高电源的动静态性能，保证输出稳定的充电电流。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明以较佳实施例公开如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当利用上述揭示的技术内容作出些许变更或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明技术是指对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种半桥谐振逆变型磁耦合谐振式无线充电电源，其特征在于：包括发射端电路和接收端电路，发射端电路包括EMI滤波电路、第一整流滤波电路、半桥LCC谐振逆变电路、第一辅助电源、第一信号调理电路、控制电路和第一通信电路；接收端电路主要包括并联谐振电路、第二整流滤波电路、第二辅助电源、第二信号调理电路和第二通信电路；
所述EMI滤波电路的输入端连接至电网，用于滤除电网电压的共模和差模干扰，抑制电源向外发出电磁干扰；
所述第一整流滤波电路的输入端连接至所述EMI滤波电路的输出端，用于将输入的交流电网电压转换成稳定的直流电压；
所述半桥LCC谐振逆变电路的输入端连接至所述第一整流滤波电路的输出端，用于将直流电压逆变成高频交流电压，激励产生强耦合磁场；
所述并联谐振电路用于通过与强耦合磁场发生电磁耦合谐振产生接收回路输入交流电压；
所述第二整流滤波电路的输入端连接至并联谐振电路，用于将输入交流电压转换成直流电压输出到负载；
所述第一辅助电源和第二辅助电源分别用于为发射端电路和接收端电路供电；
所述第一通信电路将发射端的控制信号传输到接收端，所述第二通信电路用于将接收端电压电流数据传输到发射端；
所述第一信号调理电路和第二信号调理电路分别用于对发射端和接收端的电压电流信号进行采样和处理。
2.根据权利要求1所述的一种半桥谐振逆变型磁耦合谐振式无线充电电源，其特征在于：所述半桥LCC谐振逆变电路包括第一电容CP1、第二电容CP2、第一开关管VT1、第二开关管VT2和发射线圈LP，所述第一电容CP1的一端与第一开关管VT1的集电极连接，所述第一电容CP1的另一端和第二电容CP2的一端连接，所述第一开关管VT1的发射极与第二开关管VT2的集电极连接，所述第二电容CP2的另一端与第二开关管VT2的发射极连接，所述发射线圈LP连接在第一电容CP1的另一端和第一开关管VT1的发射极之间。
3.根据权利要求1所述的一种半桥谐振逆变型磁耦合谐振式无线充电电源，其特征在于：所述第一通信电路包括第一通信芯片PIC16F1828和第一2.4G通信模块JF24D，第一通信芯片PIC16F1828的13引脚、10引脚、11引脚、9引脚、12引脚以及17引脚分别与第一2.4G通信模块JF24D的2引脚、3引脚、4引脚、5引脚、6引脚以及8引脚相连，第一2.4G通信模块JF24D的1引脚接第一辅助电源，第一2.4G通信模块JF24D的10脚接地。
4.根据权利要求1所述的一种半桥谐振逆变型磁耦合谐振式无线充电电源，其特征在于：所述第二无线通信电路包括第二通信芯片PIC16F1828和第二2.4G通信模块JF24D，第二通信芯片PIC16F1828的13引脚、10引脚、11引脚、9引脚、12引脚以及17引脚分别与第二2.4G通信模块JF24D的2引脚、3引脚、4引脚、5引脚、6引脚以及8引脚相连，第二2.4G通信模块JF24D的1引脚接第二辅助电源，10脚接地。
5.根据权利要求1所述的一种半桥谐振逆变型磁耦合谐振式无线充电电源，其特征在于：所述并联谐振电路包括接收线圈LS和第三电容CS；所述接收线圈LS和第三电容CS并联。
6.根据权利要求1所述的一种半桥谐振逆变型磁耦合谐振式无线充电电源，其特征在于：所述第一整流滤波电路包括整流桥VD1、第一滤波电感L1和第一滤波电容C1，整流桥VD1输出端连接至第一后级LC滤波器，第一后级LC滤波器由第一滤波电感L1和第一滤波电容C1串联形成。
7.根据权利要求1所述的一种半桥谐振逆变型磁耦合谐振式无线充电电源，其特征在于：所述第二整流滤波电路包括整流桥VD2、第二滤波电感L2和第二滤波电容C2，整流桥VD2输出端连接至第二后级LC滤波器，第二后级LC滤波器由第二滤波电感L2和第二滤波电容C2串联形成。
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