CN110544989A - 一种无线传输网络补偿供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线传输网络补偿供电系统，包括：原边补偿LC电路，原边串联补偿电感和原边并联补偿电容，原边串联补偿电感串联连接所述功率开关S1的发射极与功率开关S3集电极连接处，且原边串联补偿电感并联连接原边并联补偿电容，所述原边串联补偿电感的电感值为55uH的空芯电感，减少高频电流下产生的内阻升高的问题；所述原边串联补偿电感和原边并联补偿电容共同组成了反T形网络的原边补偿LC电路生。实现与负载无关的恒流或恒压输出。

Description

一种无线传输网络补偿供电系统
技术领域
本发明涉及供电技术领域，具体是一种无线传输网络补偿供电系统。
背景技术
无线电能传输技术对用电设备恒流或恒压供电的场合较为广泛，应用于电动汽车、家电或手机等消费电子设备、人体植入式设备、矿井移动吊装或者空间太阳能电站等领域，无线电能传输技术的发展将为人类社会生活带来极大的进步，该技术的突破将在工业、医疗以及航天航空等领域产生深远的影响。
无线电传输技术供电随着市场的需求也在逐步发展，目前的无线电传输技术不能够很好的实现与负载无关的恒流或恒压输出，且无线电能传输过程中会产生大量无功环流，导致功率因数降低，同时无功环流也会影响输出特性与传输效率；因此，基于目前的技术情况，急需对现有技术进行改革。
发明内容
本发明克服现有不能够很好的实现与负载无关的恒流或恒压输出技术存在的问题，本发明提供一种无线传输网络补偿供电系统。
在一些可选实施例中，为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种无线传输网络补偿供电系统，包括：
桥式高频转换电路，设有功率开关S1、功率开关S2、功率开关S3和功率开关S4，所述功率开关S1串联连接功率开关S3，所述功率开关S2和功率开关S4串联连接，所述功率开关S1和功率开关S3分别并联连接功率开关S2和功率开关S4，且所述功率开关S1、功率开关S2、功率开关S3和功率开关S4均并联连接有二极管，共同组成全桥逆变器，
原边补偿LC电路，包括原边串联补偿电感和原边并联补偿电容，原边串联补偿电感串联连接所述功率开关S1的发射极与功率开关S3集电极连接处，且原边串联补偿电感并联连接原边并联补偿电容，所述原边串联补偿电感的电感值为55uH的空芯电感，减少高频电流下产生的内阻升高的问题；所述原边串联补偿电感和原边并联补偿电容共同组成了反T形网络的原边补偿LC电路，该原边补偿LC电路分别并联连接原边线圈自感和耦合连接副边线圈自感，原边线圈自感和副边线圈自感之间具有原副边线圈互感，共同组成了变压器，
该变压器由传输磁能量的原边线圈和副边线圈组成，且原边线圈和副边线圈内设有有助于增强磁场耦合强度的磁芯可凝聚磁力线，所述原边线圈和副边线圈的每股线圈均有0.1mm漆包线制成横截面积为9.42平方毫米的利兹线绕制而成；
T型谐振腔，包括副边串联补偿电感和副边并联补偿电容，所述副边线圈自感分别串联连接副边串联补偿电感和并连接副边并联补偿电容，其中，副边串联补偿电感和副边并联补偿电容共同构成具有恒流输入、恒压输出特性的T型谐振腔，所述副边线圈自感还串联连接副边串联补偿电容，
整流滤波电路，电连接副边串联补偿电感，所述整流滤波电路具有整流二极管D1、整流二极管D2、整流二极管D3和整流二极管D4，且整流二极管D1、整流二极管D2、整流二极管D3和整流二极管D4，共同组成了全桥整流器，该全桥整流器并联连接电容和阻性负载，所述滤波电容和阻性负载构成了RC电路，该RC电路具体为RC吸收电路，具体的，RC吸收电路中的具有四个功率开关管，且在上述四个功率开关管的漏源极两端分别并联设有功率电阻的阻性负载和设有滤波电容的吸收电容，所述四个功率开关管与并联的功率电阻和吸收电容共同组成串联电路；该吸收电容选用330uF的电解电容，对电路进行滤波和稳压，提供负载端平稳的直流电压，
当开关管断开时，其内部寄生电感通过寄生电容放电，同时吸收电容会被充电，有效提升开关管的电容容量从而有效降低浪涌电压，充电同时功率电阻会消耗能量，当开关管导通时，吸收电容经开关管放电；
RC吸收电路起到保护功率开关管作用，相比于开关管尖峰与振荡带来的损耗，RC吸收电路的损耗很小。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明的整体结构电路仿真图；
图2是本发明整体结构框图；
图3是本发明的原边补偿LC电路与T型谐振腔的等效电路图；
图4是本发明桥式高频转换电路输出的电流与输出电压恒压输出时波形图。
具体实施方式
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们，下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
参考图1和图2，图1给出了本发明的整体结构电路仿真图；图2给出了本发明整体结构框图；
本发明的一个可选实施例一种无线传输网络补偿供电系统，包括：桥式高频转换电路，设有功率开关S1、功率开关S2、功率开关S3和功率开关S4，所述功率开关S1串联连接功率开关S3，所述功率开关S2和功率开关S4串联连接，所述功率开关S1和功率开关S3分别并联连接功率开关S2和功率开关S4，且所述功率开关S1、功率开关S2、功率开关S3和功率开关S4均并联连接有二极管，共同组成全桥逆变器；
原边补偿LC电路，包括原边串联补偿电感和原边并联补偿电容，原边串联补偿电感串联连接所述功率开关S1的发射极与功率开关S3集电极连接处，且原边串联补偿电感并联连接原边并联补偿电容；
所述原边串联补偿电感的电感值为55uH的空芯电感，减少高频电流下产生的内阻升高的问题；所述原边串联补偿电感和原边并联补偿电容共同组成了反T形网络的原边补偿LC电路，该原边补偿LC电路分别并联连接原边线圈自感和耦合连接副边线圈自感，原边线圈自感和副边线圈自感之间具有原副边线圈互感，共同组成了变压器；
该变压器由传输磁能量的原边线圈和副边线圈组成，且原边线圈和副边线圈内设有有助于增强磁场耦合强度的磁芯可凝聚磁力线，所述原边线圈和副边线圈的每股线圈均有0.1mm漆包线制成横截面积为9.42平方毫米的利兹线绕制而成；
线圈中电荷在高频场合下会产生集肤效应与邻近效应导致导线内阻增大，会加剧内阻对传输增益、传输功率与传输效率的不利影响，因此本系统选取利兹线来绕制变压器原副边线圈；
在线圈底面加入磁芯可凝聚磁力线，有助于增强磁场耦合强度，因此在线圈底部均匀铺设锰锌铁氧体材料作为磁芯。为增大线圈间互感值，将变压器线圈采用同轴绕制；
参考图3，是本发明的原边补偿LC电路与T型谐振腔的等效电路图；
T型谐振腔，包括副边串联补偿电感和副边并联补偿电容，所述副边线圈自感分别串联连接副边串联补偿电感和并连接副边并联补偿电容，其中，副边串联补偿电感和副边并联补偿电容共同构成具有恒流输入、恒压输出特性的T型谐振腔，输出恒压经原边T型谐振腔，实现恒压输入-恒压输出，继而在副边线圈得到恒定的电流；
所述副边线圈自感还串联连接副边串联补偿电容；
整流滤波电路，电连接副边串联补偿电感，所述整流滤波电路具有整流二极管D1、整流二极管D2、整流二极管D3和整流二极管D4，且整流二极管D1、整流二极管D2、整流二极管D3和整流二极管D4，共同组成了全桥整流器，该全桥整流器并联连接电容和阻性负载，所述滤波电容和阻性负载构成了RC电路，该RC电路具体为RC吸收电路；
具体的，RC吸收电路中的具有四个功率开关管，且在上述四个功率开关管的漏源极两端分别并联设有功率电阻的阻性负载和设有滤波电容的吸收电容，所述四个功率开关管与并联的功率电阻和吸收电容共同组成串联电路；
所述四个功率开关管开关速度快，开关损耗小，适用于中小功率的高频场合，功率开关管在逆变电路运行时满足足够大的电流与电压应力，本系统选用保留足够大的裕量的功率开关管，最大漏源电压300V，最大连续漏极电流38A，其具有极低的导通电阻，有助于提升系统效率，满足系统要求；
在高频快速通断的状态下，开关管两端电压和电流急剧变化，以及电路中存在寄生电感，高频状态下功率MOSFET很容易产生振荡和尖峰。为了降低功率开关管通断时造成的尖峰与振荡带来的不利影响，加入上述RC吸收电路抑制电压尖峰；
所述吸收电容选用330uF的电解电容，对电路进行滤波和稳压，提供负载端平稳的直流电压；
当开关管断开时，其内部寄生电感通过寄生电容放电，同时吸收电容会被充电，有效提升开关管的电容容量从而有效降低浪涌电压，充电同时功率电阻会消耗能量；当开关管导通时，吸收电容经开关管放电；
RC吸收电路起到保护功率开关管作用，相比于开关管尖峰与振荡带来的损耗，RC吸收电路的损耗很小；
直流电经桥式高频转换电路转化为满足系统所需的高频交流，无线电能传输系统谐振模式下的工作频率为85kHz，高频交流经原边补偿LC电路后流经原边线圈产生磁场，在副边发生耦合感应形成的电动势作为副边电路电压源，再通过T型谐振腔输入整流滤波电路，变换为负载端用电设备所需的直流电。
桥式高频转换电路的直流输入电压在逆变器工作时，功率开关S1,功率开关S4和功率开关S2和功率开关S3在驱动电路驱动下分别同时开通或关断，全桥逆变器输出为高低电平的交流方波。
参考图4，桥式高频转换电路输出的电流与输出电压恒压输出时，输出电流与输出电压仍然接近同相位，系统处于临界纯阻性状态，当负载由20欧变为3 0欧时，输出电流下降，输出电压上升，与负载50％的变化率相比，负载的副边线圈电流基本保持恒定，因此整流桥输入端电压与负载两端电压基本不发生改变，负载输出电压变化率可近似看作恒压输出，且具有较高的传输效率；
在本系统的副边补偿电容后加入T型谐振腔，将副边侧获得的恒定电流，经T型谐振腔后变为恒压输出，副边串联补偿电容作为调谐电容调节系统输入阻抗角，使系统实现现与负载无关的恒流或恒压输出。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无线传输网络补偿供电系统，其特征在于，包括：
桥式高频转换电路，设有功率开关S1、功率开关S2、功率开关S3和功率开关S4；
所述功率开关S1串联连接功率开关S3，所述功率开关S2和功率开关S4串联连接；
所述功率开关S1和功率开关S3分别并联连接功率开关S2和功率开关S4；
所述功率开关S1、功率开关S2、功率开关S3和功率开关S4均并联连接有二极管，共同组成全桥逆变器；
原边补偿LC电路，包括原边串联补偿电感和原边并联补偿电容；
所述原边串联补偿电感串联连接所述功率开关S1的发射极与功率开关S3集电极连接处；
所述原边串联补偿电感并联连接原边并联补偿电容，所述原边串联补偿电感和原边并联补偿电容共同组成了反T形网络的原边补偿LC电路；
所述原边补偿LC电路分别并联连接原边线圈自感和耦合连接副边线圈自感，且原边线圈自感和副边线圈自感之间具有原副边线圈互感，共同组成了变压器；
T型谐振腔，包括副边串联补偿电感和副边并联补偿电容；
所述副边线圈自感分别串联连接副边串联补偿电感和并连接副边并联补偿电容；其中，
所述副边串联补偿电感和副边并联补偿电容共同构成具有恒流输入、恒压输出特性的T型谐振腔；
所述副边线圈自感还串联连接副边串联补偿电容；
整流滤波电路，电连接副边串联补偿电感，所述整流滤波电路具有整流二极管D1、整流二极管D2、整流二极管D3和整流二极管D4；
所述整流二极管D1、整流二极管D2、整流二极管D3和整流二极管D4，共同组成了全桥整流器；
所述全桥整流器并联连接滤波电容和阻性负载，且滤波电容和阻性负载构成了RC电路。
2.根据权利要求1所述的一种无线传输网络补偿供电系统，其特征在于，所述原边串联补偿电感的电感值为55uH的空芯电感，减小高频电流下产生的内阻升高。
3.根据权利要求1所述的一种无线传输网络补偿供电系统，其特征在于，所述变压器由传输磁能量的原边线圈和副边线圈组成；
所述原边线圈和副边线圈内设有有助于增强磁场耦合强度的磁芯可凝聚磁力线；
所述原边线圈和副边线圈的每股线圈均有0.1mm漆包线制成横截面积为9.42平方毫米的利兹线绕制而成。
4.根据权利要求1所述的一种无线传输网络补偿供电系统，其特征在于，所述RC电路具体为RC吸收电路；
所述RC吸收电路中的具有四个功率开关管，且四个功率开关管的漏源极两端分别并联设有功率电阻的阻性负载和设有滤波电容的吸收电容；
所述四个功率开关管与并联的功率电阻和吸收电容共同组成串联电路。
5.根据权利要求4所述的一种无线传输网络补偿供电系统，其特征在于，所述吸收电容选用330uF的电解电容，对电路进行滤波和稳压，提供负载端平稳的直流电压。
6.根据权利要求5所述的一种无线传输网络补偿供电系统，其特征在于，所述功率开关管断开时，其内部寄生电感通过寄生电容放电，同时吸收电容会被充电，提升开关管的电容容量从而有效降低浪涌电压。
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