CN111342668A - 一种利用可变电感拓展ss结构wpt系统的软开关范围的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用可变电感实现串联谐振型(Series‑series,SS)无线供电(WirelessPower Transfer,WPT)系统逆变器软开关的方法，属于无线充电技术领域。解决了现有技术中，当SS型WPT系统采用移相控制技术实现宽负载范围、宽耦合系数恒压供电时，逆变器开关损耗大、软开关状态实现困难导致等问题。本发明包括如下步骤：a.建立基于可变电感的WPT系统基波等效模型及可变电感等效模型；b.分析逆变器软开关实现条件；c.设计可变电感；d.设计实现恒压输出与逆变器软开关的控制策略。该方法有效地扩大了逆变器软开关的实现范围，使系统始终工作在高效率状态下，控制简单，可实现系统工作状态的连续快速调节，具有良好的动态性能。

Description

一种利用可变电感拓展SS结构WPT系统的软开关范围的方法
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域，具体涉及一种利用可变电感(VariableInductance,VI)实现串联谐振(Series-series,SS)型无线供电(Wireless PowerTransfer,WPT)系统逆变器软开关的方法，该方法控制简单，同时有效地扩大了逆变器软开关的实现范围，使系统始终工作在高效率状态下。
背景技术
无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)技术借助空间中的能量载体(如电场、磁场、微波、电磁波等)，将电能由电源侧传递到负载侧。其中，感应式WPT技术作为一种安全、可靠的非接触式供电技术，可解决传统有线电能传输设备的诸多缺陷，避免了传统拔插系统存在的接触火花，漏电等安全问题，并使人类应用电能的方式更加灵活。目前，该技术已被广泛应用于人体植入医疗设备，感应式加热器，电动车以及手机等移动设备的无线充电平台。
感应式WPT系统包括能量发射端和能量接收端两部分：发射端包括高频逆变器、发射端谐振补偿网络和发射线圈，高频逆变器将直流电变为高频交流电，高频交流电流经过谐振补偿网络，在发射线圈中产生高频交流磁场；接收端包括接收线圈、接收端谐振补偿网络和高频整流器，接收线圈感应到发射线圈产生的高频磁场后，经过接收端谐振补偿网络，向高频整理器输出高频交流电，高频整流器则将交流电变为直流电，向负荷提供电能，实现电能从发射端到接收端的无线传输。
在目前的感应式WPT系统中，为实现系统恒定电压或恒定电流输出，传统的方法需要在直流侧添加DC/DC变换器，在不同的负载和耦合系数条件下对系统输出进行动态调节。然而，添加DC/DC变流器会极大地增加WPT系统的体积、重量和成本，限制WPT系统的适用性。为了在不使用额外的DC/DC变换器情况下，发射端逆变器通常采用移相控制技术，以在各种工作条件下实现二次侧稳定的输出电压。但是采用这种方法，很难实现逆变器软开关，特别是在轻载的条件下，导致逆变器开关损耗增大，降低系统能量传输效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用可变电感实现SS型感应式WPT系统宽范围软开关状态的方法，该方法能在不引入额外的DC/DC变换器的情况下，通过移相控制的方法对系统输出电压进行动态调节，同时通过可变电感实现宽负载范围、宽互感变化范围、宽移相角范围情况下逆变器的软开关状态，降低逆变器的开关损耗，进而提升系统能量传输效率。
本发明采用的技术方案如下：
一种利用可变电感拓展SS型WPT系统软开关范围的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.建立基于可变电感的WPT系统基波等效模型及可变电感等效模型；
b.分析逆变器在宽负载范围和宽互感范围情况下的软开关实现条件；
c.设计可变电感；
d.设计实现恒压输出与逆变器软开关的逆变器控制策略与可变电感控制策略。
进一步地，一种采用可变电感实现SS型WPT系统逆变器软开关的方法，其特征在于，所述WPT系统包括发射端和接收端，所述发射端包括直流输入电源，其直流输入电压为Vdc，所述直流输入电源电连接有全桥逆变器，全桥逆变器包含四个MOS管S1、S2、S3和S4，vgs1-vgs4分别对应其门极信号。所述全桥逆变器电连接有发射线圈LP，所述发射线圈串联有可变电感L，发射线圈LP与接收端的接收线圈LS磁耦合，其互感为M，所述接收端还包括与接收线圈电连接的整流器，所述整流器与负载电阻RL电连接，发射线圈LP串联谐振电容CP，接收线圈串联谐振电容Cs，发射线圈与接收线圈的分别为寄生电阻RP和寄生电阻Rs。
进一步地，所述步骤b中计算可变电感的步骤如下：
为了补偿发射线圈和接收线圈的自感，CP和CS应该满足下式：
Figure BDA0002404318870000021
其中，ω＝2πf为系统的工作角频率，f是系统的工作频率。
逆变器由移相调制控制，开关频率为ω，门级驱动信号的占空比为50％，vgs1和vgs4(vgs2和vgs3)之间的相位差产生方波电压vp和导通角α，vp(1)是vp的基波分量，ip和is分别是发射线圈和接收线圈的电流；vp和ip之间的相角差为β。
根据基本谐波近似方法分析，逆变器的输入电压Vp和整流器的输入电压Vs可以表示为：
Figure BDA0002404318870000022
其中，α是逆变器的导通角。由上式(2)可知，可以调整α使Vp的基波分量在负载和互感变化时满足输出电压的要求。
根据基尔霍夫电压定律和互感耦合模型可以得到下式：
Figure BDA0002404318870000031
其中,
Figure BDA0002404318870000032
为VP的基波分量；
Figure BDA0002404318870000033
Req为整流器的等效电阻：
Figure BDA0002404318870000034
将式(6)、式(7)和式(8)回代入式(9)中可以得到系统的输出电压Vout和输出端逆变器的等效阻抗Zin：
Figure BDA0002404318870000035
WPT系统的输入阻抗角β(ip的过零相)可以计算为：
Figure BDA0002404318870000036
在此条件下，为实现系统输出电压Vout恒定，导通角α应满足：
Figure BDA0002404318870000037
实现高频逆变器的软开关状态运行对降低开关损耗和电磁干扰，提高系统效率和可靠性是至关重要的。为了实现逆变器软开关状态运行，输入阻抗角β和逆变器导通角α需满足：
Figure BDA0002404318870000038
将式(14)和式(15)回带入式(16)中，可得到使逆变器工作在软开关状态下可变电感的取值范围：
Figure BDA0002404318870000039
由式(17)可计算得，用于实现恒定输出电压Uout条件下的软开关状态的可变电感最小电感值。为了适应负载RL和互感M的变化，可变电感的电感必须相应的动态调整。
进一步地，所述可变电感为包含气隙的“E”形铁氧体磁芯组合成的闭合线圈，可变电感由主绕组和辅助绕组两部分组成，所述主绕组位于“E”形铁的中间支柱上，辅助绕组位于与中间铁芯平行的两侧支柱上。其中，两侧的辅助绕组匝数相同、串联连接且极性相反。通过辅助线性电流源电路向辅助绕组注入直流电流，控制该电流大小，进而控制铁氧体磁芯的饱和程度，最终实现对绕组电感的持续调节。
进一步地，在步骤d中，采集系统直流输出电压Vdc，通过射频通讯发送至发射端的PI控制器，用于调节逆变器的移相角；然后采用过零检测获得逆变器输出电流ip的相位，通过相位比较电路获得S4门极信号vgs4与逆变器输出电流ip的相位差θ；再利用PI控制器控制可变电感辅助绕组的直流电流，以调节可变电感的等效电感，使相位差θ追踪到参考相角δ。最终实现恒压输出和逆变器软开关的双闭环控制。
本发明在WPT系统的发射端安装了一个可变电感，通过辅助绕组中的直流电流变化来连续改变可变电感的等效电感。采用可变电感扩大了逆变器软开关的实现范围，同时结合逆变器的移相控制技术，在不需要额外的DC/DC转换器的情况下，可以获得宽负载范围内的高效率和恒定的直流输出电压。
该电感的等效电感可以通过调节直流电流来控制，来实现在固定工作频率下宽范围的逆变器软开关状态。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明在发射端逆变器采用移相控制技术，同时采用电感值可连续变化的可变电感对逆变器电压电流相角差进行动态调节，实现了宽负载范围、宽耦合系数范围的恒定直流电压输出，并有效降低了逆变器的开关损耗，提升了系统能量传输效率。
2、通过对逆变器移相角和可变电感电感值的双闭环控制，实现了负载或互感变化条件下系统的稳定输出，控制系统简单，动态性能优良。
附图说明
图1为磁耦合谐振网络为S-S拓扑结构的WPT系统拓扑图；
图2为可变电感的结构图；
图3为实现可变电感所使用的线性电流源结构图；
图4为WPT系统的控制图；
图5为逆变器的控制信号与电压电流波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种利用可变电感拓展SS型WPT系统软开关范围的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.建立基于可变电感的WPT系统基波等效模型及可变电感等效模型；
b.分析逆变器在宽负载范围和宽互感范围情况下的软开关实现条件；
c.设计可变电感；
d.设计实现恒压输出与逆变器软开关的逆变器控制策略与可变电感控制策略。
如图1所示，WPT系统包括发射端和接收端，所述发射端包括直流输入电源，其直流输入电压为Vdc，所述直流输入电源电连接有全桥逆变器，全桥逆变器包含四个MOS管S1、S2、S3和S4，vgs1-vgs2分别对应其门极信号。所述全桥逆变器电连接有发射线圈LP，所述发射线圈串联有可变电感L，发射线圈LP与接收端的接收线圈LS磁耦合，其互感为M，所述接收端还包括与接收线圈电连接的整流器，所述整流器与负载电阻RL电连接，发射线圈LP串联谐振电容CP，接收线圈串联谐振电容Cs，发射线圈与接收线圈的分别为寄生电阻RP和寄生电阻Rs。
可变电感包含两部分：主绕组和辅助绕组。
主绕组位于包含气隙的E形铁氧体铁芯的中间支柱上，辅助绕组则位于两侧支柱上，如图2所示。Nb和Np分别是辅助绕组的匝数和主绕组的匝数。为了消除辅助绕组上的感应交流电压，两侧上的绕组应按照相反的极性串联，并且辅助绕组在两不同侧腿上的匝数应相等。通过改变辅助绕组的直流电流，可以连续的改变主绕组的电感。应用如图3所示的简单的线性电路实现可控的直流电流，线性电路由辅助直流电压Vaux供电，通过控制参考电压Vc可以得到理想的直流电流Iaux。
控制图如图4所示，它由两个闭环控制构成：直流输出电压控制回路和ZVS控制回路。首先，测量直流输出电压Vout，并通过射频(RF)通信发送给发射端的PI控制器，PI控制器的输出是用于控制逆变器的导通角α。其次，ZVS控制回路负责整个WPT系统的ZVS运行。
逆变器的驱动信号和电压电流波形如图5所示，从理论上，θ必须要满足大于等于0，实际上，当θ＝0°时会导致振荡和精度不高，因此θ应该被控制在略大于0，为了实现θ略大于0，采用过零检测来获得逆变器输出电流ip的相位，S4门极信号vgs4与逆变器输出电流ip的相位差(即θ)可以通过相位比较电路获得，随后，改变流经可变电感辅助绕组的直流电流，通过PI控制器控制相位差θ来追踪参考相角δ，利用这种双闭环控制，WPT系统可以实现恒压输出和逆变器软开关。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用可变电感拓展SS结构WPT系统的软开关范围的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.建立基于可变电感的WPT系统基波等效模型及可变电感等效模型；
b.分析逆变器在宽负载范围和宽互感范围情况下的软开关实现条件；
c.设计可变电感；
d.设计实现恒压输出与逆变器软开关的逆变器控制策略与可变电感控制策略。
2.根据权利要求1所述的一种利用可变电感拓展SS结构WPT系统的软开关范围的方法，其特征在于，所述WPT系统包括发射端和接收端，所述发射端包括直流输入电源，其直流输入电压为Vdc，所述直流输入电源电连接有全桥逆变器，全桥逆变器包含四个MOS管S1、S2、S3和S4，vgs1-vgs4分别对应其门极信号，所述全桥逆变器电连接有发射线圈LP，所述发射线圈串联有可变电感L，发射线圈LP与接收端的接收线圈LS磁耦合，其互感为M，所述接收端还包括与接收线圈电连接的整流器，所述整流器与负载电阻RL电连接，发射线圈LP串联谐振电容CP，接收线圈串联谐振电容Cs，发射线圈与接收线圈的分别为寄生电阻RP和寄生电阻Rs。
3.根据权利要求1所述的一种利用可变电感拓展SS结构WPT系统的软开关范围的方法，其特征在于，所述步骤a中等效模型建立的步骤如下：
步骤1.根据系统负载RL，计算整流器交流输入侧等效负载Req：
Figure FDA0002404318860000011
步骤2.计算系统的输出电压Vout和输出端逆变器的等效阻抗Zin：
Figure FDA0002404318860000012
步骤3.在系统输入电压Vdc和负载电阻RL不变的情况下，计算逆变器输出端阻抗角β和逆变器移相角α：
Figure FDA0002404318860000013
Figure FDA0002404318860000014
4.根据权利要求1所述的一种利用可变电感拓展SS结构WPT系统的软开关范围的方法，其特征在于，所述步骤b中分析条件如下：
为保证逆变器软开关实现，逆变器输出端阻抗角β须满足：
Figure FDA0002404318860000021
5.根据权利要求1所述的一种利用可变电感拓展SS结构WPT系统的软开关范围的方法，其特征在于，所述步骤c中设计方法步骤如下：
步骤1.将权利要求1中步骤3计算得到的输入阻抗角β和导通角α代入权利要求2的步骤1中可以计算得到恒压输出条件下实现逆变器软开关的最小可变电感的等效电感值：
Figure FDA0002404318860000022
步骤2.通过辅助线性电流源电路向辅助绕组注入直流电流，控制该电流大小，实现对绕组电感的持续调节，可变电感为“E”形铁形状组合成的闭合线圈，可变电感由主绕组和辅助绕组两部分组成，主绕组位于“E”形铁的中间支柱上，辅助绕组位于与中间铁芯平行的两侧支柱上，两侧的辅助绕组匝数相同、串联连接且极性相反。
6.根据权利要求1所述的一种利用可变电感拓展SS结构WPT系统的软开关范围的方法，其特征在于，所述步骤d中实现恒压输出和逆变器软开关的双闭环控制策略步骤如下：
步骤1.采集系统直流输出电压Vdc，通过射频通讯发送至发射端的PI控制器，用于调节逆变器的移相角；
步骤2.采用过零检测获得逆变器输出电流ip的相位，通过相位比较电路获得S4门极信号vgs4与逆变器输出电流ip的相位差θ；
步骤3.通过PI控制器控制可变电感辅助绕组的直流电流，以调节可变电感的等效电感，实现相位差θ对参考相角δ的追踪。
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