CN111799894B - 一种适应于高频无线能量传输的tsp补偿网络及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种适应于高频无线能量传输的TSP补偿网络及其设计方法。本发明涉及高频无线充电系统补偿网络技术领域。所述网络包括：Class E逆变器包括电压源V_IN、电感L_F、开关管S₁和电容C_F；所述TSP补偿网络包括电容C_T0、电容C_T1、电容C_t、耦合线圈、电容C_r和电容C_p，所述耦合线圈由Lp和Ls构成，所述耦合线圈的互感是M。本发明的方法对补偿网络建立二端口方程；确定补偿网络的电压增益方程；确定补偿网络的参数；根据补偿网络的参数，提取耦合变量，得到每个元件的参数值，确定补偿网络结构。本发明通过构造TSP补偿网络，使系统具有抗负载扰动和抗耦合系数扰动的特性，从而保证负载输出电压的稳定性。

Description

一种适应于高频无线能量传输的TSP补偿网络及其设计方法

技术领域

本发明涉及高频无线充电系统补偿网络技术领域，是一种适应于高频无线能量传输的TSP补偿网络及其设计方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，无线化、高频化、集成化、智能化已经成为现代工业和电子等消费产业的追求目标。无线电能传输，可以提高电源的密封特性，具有防水防尘等效果，另外，在智能机器人领域，无线供电可以降低轴承之间因为旋转或弯曲带来的不便，在电子消费领域，无线充电方式既可以减少不必要的接口，更加美观，还避免了插拔带来的寿命问题。目前无线电能传输技术已经在很多场合取得了非常好的应用效果，但是对于高频无线能量传输技术的研究还在不断地深入，尤其是对各种补偿网络的优化与设计，从而取得更稳定的工作系统。对于当前高频条件下的无线充电技术存在的主要问题是，当负载变化或耦合系数变化时，负载输出电压无法维持恒定，变化较大。所以需要通过设计补偿网络实现系统具有抗负载和抗耦合系数扰动的效果，从而提高整个系统工作的稳定性。

发明内容

本发明为针对高频无线充电系统补偿网络的设计，通过构造相应的补偿网络，使系统具有抗负载扰动和抗耦合系数扰动的抑制特性，从而维持负载输出电压的稳定，且能够使不同负载输出电压也趋于一致，本发明提供了一种适应于高频无线能量传输的TSP补偿网络及其设计方法，本发明提供了以下技术方案：

一种适应于高频无线能量传输的TSP补偿网络，所述网络包括ClassE逆变器、TSP补偿网络和ClassE整流器，所述ClassE逆变器连接TSP补偿网络，所述TSP补偿网络连接ClassE整流器；

ClassE逆变器包括电压源V_IN、电感L_F、开关管S₁和电容C_F；所述TSP补偿网络包括电容C_T0、电容C_T1、电容C_t、耦合线圈、电容C_r和电容C_p，所述耦合线圈由Lp和Ls构成，所述耦合线圈的互感是M；ClassE整流器包括二极管D_REC、电感L_REC、电容C_REC、电容Co和负载电阻R_L1；

所述电压源V_IN的正极连接电感L_F的一端，电感L_F的另一端分别连接开关管S₁和电容C_F的一端，所述开关管S₁和电容C_F的另一端与电压源V_IN的负极连接；

电容C_F的一端连接电容C_T0的一端，电容C_T0的另一端连接电容C_T1和电容C_t的一端，所述电容C_T1的另一端连接电容C_F的另一端，电容C_t的另一端连接耦合线圈中的原边线圈L_P的一端，原边线圈L_P的另一端连接电容C_T1的另一端，耦合线圈中的副边线圈L_S的一端连接电容C_r的一端，电容C_r的另一端连接电容C_p的一端，电容C_p的另一端连接副边线圈L_S的另一端；

电容C_r的另一端连接二极管D_REC、电感L_REC和电容C_REC的一端，二极管D_REC和电容C_REC的另一端连接电容C_p的另一端；电感L_REC的另一端连接电容Co和负载电阻R_L1的一端，电容Co和负载电阻R_L1的另一端连接电容C_p的另一端。

一种适应于高频无线能量传输的TSP补偿网络设计方法，包括以下步骤：

步骤1：采用二端口求解增益的方法，对补偿网络建立二端口方程；

步骤2：根据建立的二端口方程，确定补偿网络的电压增益方程；

步骤3：根据电压增益方程，确定补偿网络的参数；

步骤4：根据补偿网络的参数，提取耦合变量，得到补偿网络的每个元件的参数值，确定补偿网络的结构。

优选地，所述步骤1具体为：

采用二端口求解增益的方法，对补偿网络建立二端口方程，通过下式表示二端口方程：

其中，A_T为T形结构的二端口传输矩阵，A_mag为耦合线圈的传输矩阵，A_CSP为副边Ls所连接的SP网络结构的传输矩阵，A_sys为整个TSP补偿网络的二端口传输矩阵，a₁₁、a₁₂、a₂₁和a₂₂均为矩阵A_TA_mag和A_CSP乘积的结果，M为互感系数，Z₁为电容C_T0，Z₂为电容C_T1，Z₃为电容C_t，Z₄为电容C_r，Z₅为电容C_p。

优选地，所述步骤2中根据建立的二端口方程，确定补偿网络的电压增益方程，通过下式表示补偿网络的电压增益方程G_vts：

其中，U_out为输出电压，U_in输入电压，R为负载电阻值。

优选地，根据电压增益方程，确定补偿网络的参数；

根据电压增益方程，确定等效输入阻抗，通过下式表示等效输入阻抗Z_TS：

为了实现电压增益与负载无关，即电压增益表达式与负载变量无关，确定a₁₁，通过下式表示a₁₁：

为了实现等效输入阻抗角与负载无关，且满足输入输出功率守恒，则a₂₁＝0，a₂₂≠0，确定更新后的等效输入阻抗Z_TS'：

联立式(7)和式(9)，得到a₂₂，通过下式表示a₂₂：

确定二端口网络矩阵，通过下式表示二端口网络矩阵A_sys：

确定补偿网络的参数，通过下式表示补偿网络的参数：

A_T＝A_sysA_CSP ^-1A_mag ^-1 (14)

其中，b₁₁＝(Z₁+Z₂)/Z₂，b₁₂＝(Z₁Z₂+Z₂Z₃+Z₁Z₃)/Z₂，b₂₁＝1/Z₂，b₂₂＝(Z₂+Z₃)/Z₂；

经过MATLAB计算，得到T型电路的参数表达式，通过下式表示T型电路的参数表达式：

优选地，所述步骤4具体为：根据补偿网络的参数，提取耦合变量，得到补偿网络的每个元件的参数值，确定补偿网络的结构

步骤4.1：根据补偿网络的参数，正向求取电压增益表达式，通过下式表示正向电压增益G_vts'：

其中，Z_m为耦合线圈的阻抗值，Z_m＝jwM；

缩小变量范围，根据接收侧参数确定增益参数，将除互感阻抗变量之外的所有变量作为已知的设计参数，对电压增益进行求导，通过下式表示对正向电压增益求导：

其中，Z_m0表示最佳耦合系数点处的互感感抗；

当电压增益在最佳耦合系数点处导数为零时，确定满足电压增益与负载无关的条件，通过下式表示所述满足电压增益与负载无关的条件：

Z₅＝-2Z₄ (18)

将式(18)带入(15)，得到补偿网络的每个元件的参数值,通过下式表补偿网络的每个元件的参数值：

根据补偿网络的每个元件的参数值，确定补偿网络的参数与结构。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过构造T/SP补偿网络，使系统具有抗负载扰动和抗耦合系数扰动的特性，从而保证负载输出电压的稳定性。基于T/SP补偿网络条件下，当负载在一定范围内发生变化时，输出电压增益基本不变，具有明显的抗负载扰动效果。

基于TSP补偿网络条件下，当耦合系数发生变化时，输出电压增益变化在10％以内，具有很好的抗耦合系数扰动。

依据分析的计算方法，可以得到补偿网络的器件全部是电容，具有很好的集成效果。

附图说明

图1是适应于高频无线能量传输的TSP补偿网络结构图；

图2是TSP补偿网络的耦合结构图；

图3是TSP补偿网络的抗负载扰动仿真结果图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

具体实施例一：

按照图1所示，本发明提供一种适应于高频无线能量传输的TSP补偿网络，所述网络包括ClassE逆变器、TSP补偿网络和ClassE整流器，所述ClassE逆变器连接TSP补偿网络，所述TSP补偿网络连接ClassE整流器；

ClassE逆变器包括电压源V_IN、电感L_F、开关管S₁和电容C_F；所述TSP补偿网络包括电容C_T0、电容C_T1、电容C_t、耦合线圈、电容C_r和电容C_p，所述耦合线圈由Lp和Ls构成，所述耦合线圈的互感是M；ClassE整流器包括二极管D_REC、电感L_REC、电容C_REC、电容Co和负载电阻R_L1；

所述电压源V_IN的正极连接电感L_F的一端，电感L_F的另一端分别连接开关管S₁和电容C_F的一端，所述开关管S₁和电容C_F的另一端与电压源V_IN的负极连接；

电容C_F的一端连接电容C_T0的一端，电容C_T0的另一端连接电容C_T1和电容C_t的一端，所述电容C_T1的另一端连接电容C_F的另一端，电容C_t的另一端连接耦合线圈中的原边线圈L_P的一端，原边线圈L_P的另一端连接电容C_T1的另一端，耦合线圈中的副边线圈L_S的一端连接电容C_r的一端，电容C_r的另一端连接电容C_p的一端，电容C_p的另一端连接副边线圈L_S的另一端；

电容C_r的另一端连接二极管D_REC、电感L_REC和电容C_REC的一端，二极管D_REC和电容C_REC的另一端连接电容C_p的另一端；电感L_REC的另一端连接电容Co和负载电阻R_L1的一端，电容Co和负载电阻R_L1的另一端连接电容C_p的另一端。

根据图2所示，本发明提供一种适应于高频无线能量传输的TSP补偿网络设计方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：采用二端口求解增益的方法，对补偿网络建立二端口方程；

所述步骤1具体为：

采用二端口求解增益的方法，对补偿网络建立二端口方程，通过下式表示二端口方程：

其中，A_T为T形结构的二端口传输矩阵，A_mag为耦合线圈的传输矩阵，A_CSP为副边Ls所连接的SP网络结构的传输矩阵，A_sys为整个TSP补偿网络的二端口传输矩阵，a₁₁、a₁₂、a₂₁和a₂₂均为矩阵A_TA_mag和A_CSP乘积的结果，M为互感系数，Z₁为电容C_T0，Z₂为电容C_T1，Z₃为电容C_t，Z₄为电容C_r，Z₅为电容C_p。

步骤2：根据建立的二端口方程，确定补偿网络的电压增益方程；

所述步骤2中根据建立的二端口方程，确定补偿网络的电压增益方程，通过下式表示补偿网络的电压增益方程G_vts：

其中，U_out为输出电压，U_in输入电压，R为负载电阻值。

步骤3：根据电压增益方程，确定补偿网络的参数；

所述步骤3具体为：

根据电压增益方程，确定补偿网络的参数；

根据电压增益方程，确定等效输入阻抗，通过下式表示等效输入阻抗Z_TS：

为了实现电压增益与负载无关，即电压增益表达式与负载变量无关，确定a₁₁，通过下式表示a₁₁：

为了实现等效输入阻抗角与负载无关，且满足输入输出功率守恒，则a₂₁＝0，a₂₂≠0，确定更新后的等效输入阻抗Z_TS'：

联立式(7)和式(9)，得到a₂₂，通过下式表示a₂₂：

确定二端口网络矩阵，通过下式表示二端口网络矩阵A_sys：

确定补偿网络的参数，通过下式表示补偿网络的参数：

A_T＝A_sysA_CSP ^-1A_mag ^-1 (14)

其中，b₁₁＝(Z₁+Z₂)/Z₂，b₁₂＝(Z₁Z₂+Z₂Z₃+Z₁Z₃)/Z₂ b₂₁＝1/Z₂，b₂₂＝(Z₂+Z₃)/Z₂；

经过MATLAB计算，得到T型电路的参数表达式，通过下式表示T型电路的参数表达式：

上述过程主要是利用电压增益与负载无关和输入阻抗与负载无关的约束条件，求解出T网络与接收端补偿电路参数的关系，为了进一步解出接收端补偿电路的参数，需要引入电压增益与负载无关的约束条件，所以接下来采用正向求解电压增益的表达式，观察增益与耦合系数变量的关系。

步骤4：根据补偿网络的参数，提取耦合变量，得到补偿网络的每个元件的参数值，确定补偿网络的结构。

所述步骤4具体为：根据补偿网络的参数，提取耦合变量，得到补偿网络的每个元件的参数值，确定补偿网络的结构

步骤4.1：根据补偿网络的参数，正向求取电压增益表达式，通过下式表示正向电压增益G_vts'：

其中，Z_m为耦合线圈的阻抗值，Z_m＝jwM；

为了进一步缩小变量范围，可以考虑用接收侧参数表示出增益参数，这里要注意不能对增益表达式进一步化简，容易出现恒等式，这里我们把除互感阻抗变量之外的所有变量作为已知的设计参数，这样就不会随互感阻抗发生变化，所以可以直接对电压增益进行求导。其中Z_m＝jwM，为了使电压增益与耦合系数无关，则需要满足条件

该条件等价于另一个的表达式

缩小变量范围，根据接收侧参数确定增益参数，将除互感阻抗变量之外的所有变量作为已知的设计参数，对电压增益进行求导，通过下式表示对正向电压增益求导：

其中，Z_m0表示最佳耦合系数点处的互感感抗；

根据式(17)知，电压增益并不是一个与耦合系数完全无关的状态，但是可以限制耦合系数对电压增益的影响范围，即让电压增益在最佳耦合系数点处导数为零，

当电压增益在最佳耦合系数点处导数为零时，确定满足电压增益与负载无关的条件，通过下式表示所述满足电压增益与负载无关的条件：

Z₅＝-2Z₄ (18)

将式(18)带入(15)，得到补偿网络的每个元件的参数值,通过下式表补偿网络的每个元件的参数值：

根据补偿网络的每个元件的参数值，确定补偿网络的参数与结构。

根据图3所示，基于T/SP补偿网络条件下，当耦合系数发生变化时，输出电压增益变化在10％以内，具有很好的抗耦合系数扰动。依据分析的计算方法，可以得到补偿网络的器件全部是电容，具有很好的集成效果。

具体实施例二：

设计的基于T/SP补偿网络的高频无线充电系统，面向对象为手机对电子手表的无线充电。额定输入电压为5V，输出电压5V，输出功率0.5W，工作频率13.56MHz，无线传输距离为5-10mm，线圈外径根据手机和手表的尺寸而定，发射线圈外径50mm，接收线圈外径10mm。

耦合系统采用的是PCB印制电路板构成的平面线圈，根据参数要求可以得到发射线圈和接收线圈的耦合系数范围在0.03-0.1之间。首先由给定的参数可以计算出参与谐振的无源元件的参数值，从而确定主电路的元件参数，具体参数如表1所示。

表1无线能量传输系统主电路参数

以上所述仅是一种适应于高频无线能量传输的TSP补偿网络及其设计方法的优选实施方式，一种适应于高频无线能量传输的TSP补偿网络及其设计方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种适应于高频无线能量传输的TSP补偿网络设计方法，所述方法适应于高频无线能量传输的TSP补偿网络，所述网络包括ClassE逆变器、TSP补偿网络和ClassE整流器，所述ClassE逆变器连接TSP补偿网络，所述TSP补偿网络连接ClassE整流器；

ClassE逆变器包括电压源V_IN、电感L_F、开关管S₁和电容C_F；所述TSP补偿网络包括电容C_T0、电容C_T1、电容C_t、耦合线圈、电容C_r和电容C_p，所述耦合线圈由Lp和Ls构成，所述耦合线圈的互感是M；ClassE整流器包括二极管D_REC、电感L_REC、电容C_REC、电容Co和负载电阻R_L1；

所述电压源V_IN的正极连接电感L_F的一端，电感L_F的另一端分别连接开关管S₁和电容C_F的一端，所述开关管S₁和电容C_F的另一端与电压源V_IN的负极连接；

电容C_F的一端连接电容C_T0的一端，电容C_T0的另一端连接电容C_T1和电容C_t的一端，所述电容C_T1的另一端连接电容C_F的另一端，电容C_t的另一端连接耦合线圈中的原边线圈L_P的一端，原边线圈L_P的另一端连接电容C_T1的另一端，耦合线圈中的副边线圈L_S的一端连接电容C_r的一端，电容C_r的另一端连接电容C_p的一端，电容C_p的另一端连接副边线圈L_S的另一端；

电容C_r的另一端连接二极管D_REC、电感L_REC和电容C_REC的一端，二极管D_REC和电容C_REC的另一端连接电容C_p的另一端；电感L_REC的另一端连接电容Co和负载电阻R_L1的一端，电容Co和负载电阻R_L1的另一端连接电容C_p的另一端；其特征是：包括以下步骤：

步骤1：采用二端口求解增益的方法，对补偿网络建立二端口方程；

所述步骤1具体为：

采用二端口求解增益的方法，对补偿网络建立二端口方程，通过下式表示二端口方程：

其中，A_T为T形结构的二端口传输矩阵，A_mag为耦合线圈的传输矩阵，A_CSP为副边Ls所连接的SP网络结构的传输矩阵，A_sys为整个TSP补偿网络的二端口传输矩阵，a₁₁、a₁₂、a₂₁和a₂₂均为矩阵A_TA_mag和A_CSP乘积的结果，M为互感系数，Z₁为电容C_T0阻抗，Z₂为电容C_T1阻抗，Z₃为电容C_t阻抗，Z₄为电容C_r阻抗，Z₅为电容C_p阻抗；

步骤2：根据建立的二端口方程，确定补偿网络的电压增益方程；

所述步骤2中根据建立的二端口方程，确定补偿网络的电压增益方程，通过下式表示补偿网络的电压增益方程G_vts：

其中，U_out为输出电压，U_in为输入电压，R为负载电阻值；

步骤3：根据电压增益方程，确定补偿网络的参数；

所述步骤3具体为：

根据电压增益方程，确定等效输入阻抗，通过下式表示等效输入阻抗Z_TS：

为了实现电压增益与负载无关，即电压增益表达式与负载变量无关，确定a₁₁，通过下式表示a11：

为了实现等效输入阻抗角与负载无关，且满足输入输出功率守恒，则a₂₁＝0，a₂₂≠0，确定更新后的等效输入阻抗Z_TS'：

联立式(7)和式(9)，得到a₂₂，通过下式表示a₂₂：

确定二端口网络矩阵，通过下式表示二端口网络矩阵A_sys：

确定补偿网络的参数，通过下式表示补偿网络的参数：

A_T＝A_sysA_CSP ^-1A_mag ^-1 (14)

其中，b₁₁＝(Z₁+Z₂)/Z₂，b₁₂＝(Z₁Z₂+Z₂Z₃+Z₁Z₃)/Z₂ b₂₁＝1/Z₂，b₂₂＝(Z₂+Z₃)/Z₂；

经过MATLAB计算，得到T型电路的参数表达式，通过下式表示T型电路的参数表达式：

步骤4：根据补偿网络的参数，提取耦合变量，得到补偿网络的每个元件的参数值，确定补偿网络的结构；所述步骤4具体为：根据补偿网络的参数，提取耦合变量，得到补偿网络的每个元件的参数值，确定补偿网络的结构；

步骤4.1：根据补偿网络的参数，正向求取电压增益表达式，通过下式表示正向电压增益G_vts'：

其中，Z_m为耦合线圈的阻抗值；

缩小变量范围，根据接收侧参数确定增益参数，将除互感阻抗变量之外的所有变量作为已知的设计参数，对电压增益进行求导，通过下式表示对正向电压增益求导：

其中，Z_m0表示最佳耦合系数点处的互感感抗；

当电压增益在最佳耦合系数点处导数为零时，确定满足电压增益与负载无关的条件，通过下式表示所述满足电压增益与负载无关的条件：

Z₅＝-2Z₄ (18)

将式(18)带入(15)，得到补偿网络的每个元件的参数值,通过下式表补偿网络的每个元件的参数值：

根据补偿网络的每个元件的参数值，确定补偿网络的参数与结构。

Images