CN112152330A - 一种基于倍流整流＆半桥逆变的ipt系统及其效率提升方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统及其效率提升方法，属于无线充电技术领域，目的在于解决现有IPT系统能量传输效率低的问题。其包括以下步骤：a.建立基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统的基波电路模型；b.基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统输出特性分析；c.设计基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统效率优化策略。该方法利用所设计的电路结构和控制方法，可大幅改善感应式无线供电系统的传输效率。本发明适用于基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统及其效率提升方法。

Description

一种基于倍流整流＆半桥逆变的IPT系统及其效率提升方法

技术领域

本发明属于无线充电技术领域，具体涉及一种基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统及其 效率提升方法。

背景技术

感应式无线供电(Inductance Power Transfer，IPT)技术借助空间中的磁场载体，将 电能通过非接触的形式从电源传递到负载。近年来，随着IPT技术的不断完善，以及其在 安全性、可靠性、灵活性方面的优势，该技术已被广泛应用于消费电子产品，电动汽车和 电动公交车等设备的无线充电平台。

IPT系统中存在多级功率变换环节，其能量损耗相对较大，尤其是在轻载条件下，能量 传输效率则下降得更为明显。从能量传输路径的角度分析，系统损耗主要由变流器的开关 损耗和耦合线圈的损耗组成。随着SiC，GaN等高性能电力电子器件的发展和普及，变流器 的开关损耗在系统损耗中仅为较小的部分，而线圈损耗则占据了系统能量损耗的主要部分。 目前，大多数应用场合中，为了满足系统功率需求和抗偏移范围需求，IPT系统中的发射线 圈尺寸通常会大于接收线圈^[4]。较大的线圈尺寸将带来较大的线圈内阻，为降低耦合线圈中 的能量损耗，应依据耦合线圈的内阻比例，对线圈中的电流比例进行优化调节，进而改善 系统能量传输效率。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统及其效率提升方法， 解决现有IPT系统能量传输效率低的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统，包括发射端和接收端，所述发射端包括直流 输入电源U_in，所述直流输入电源U_in通过两个MOS管Q₁、Q₂和两个并联电容C_q1、C_q2组成的 半桥逆变器变换成高频交流电，还包括副边变流器和谐振网络，副边变流器包括倍流整流 器和Buck-Boost变流器，所述倍流整流器包括二极管D₁和二极管D₂，二极管D₁和二极管D₂分别串联有电感L_d1和电感L_d2，倍流整流器还包括输出侧支撑电容C_L，所述Buck-Boost 变流器的开关频率为f_s，所述Buck-Boost变流器包括开关管Q_c、二极管D_c和续流电感L_c、 输出侧支撑电容C_d，R_L为系统负载，电阻谐振网络通过具有恒流输出特性的双边LCC补偿拓 扑，谐振网络包括发射线圈自感L₁、接收线圈自感L₂、发射线圈和接收线圈之间的互感M， 电感L_p、电容C₁、电容C_p为发射线圈L₁的谐振补偿网络，接收线圈谐振补偿网络由电容C₂和电容C_s共同构成。

一种基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统效率提升方法，包括如下步骤：

a.建立基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统的基波电路模型；

b.基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统输出特性分析；

c.设计基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统效率优化策略。

进一步地，所述步骤a中等效模型建立的步骤如下：

步骤1：计算半桥逆变器输出电压基波有效值U₁的表达式为：

其中，S＝2sin(π·D)-1，D为半桥逆变器的占空比；

步骤2：倍流整流器输入电流基波有效值I₄与输出电流I_out的关系式为：

步骤3：计算系统的输出电流I_d与输入电压U_in以及Buck-Boost的占空比d的关系：

步骤4：计算整流器输入侧等效负载R_eqL的表达式为：

进一步地，所述步骤b中分析步骤如下：

步骤1：由Buck-Boost变流器的占空比

可得，在同样的输入电 压U_in和Buck-Boost变流器占空比d的条件下，且D≈50％(即S≈1)时，采用基于倍流整流& 半桥逆变的IPT系统呈现出恒定电流(Constant Current,CC)特性，该电流的大小与负载大小无关，采用基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统，在发射端的补偿网络参数和互感M不变，且将C₂的大小调整为采用全桥逆变器时的8/π²倍时，其具有相同的电流增益，采用 半桥逆变器时，逆变器输出电压u₁为采用全桥逆变器的一半，其发射线圈电流i₂的大小也 为后者的一半。

进一步地，所述步骤c中优化步骤如下：

步骤1：计算出IPT系统能量的传递效率，通过IPT系统能量的传递效率公式确定电流 有效值I₂和I₃的比例关系，使线圈损耗可达到最小值；

步骤2：通过对Buck-Boost变流器的占空比d和半桥逆变器的占空比D进行调节，将线圈中的电流比例调至最优。

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、本发明中，采用了半桥逆变器结合倍流整流的电路结构，保持系统增益恒定的同时 通过减小回路电流有效降低了线路和变流器的损耗，提升了系统能量传输效率。

2、本发明中，对系统Buck-Boost变流器和半桥逆变器的占空比D和d进行调节，在确 保输出电流的前提下，可将发射线圈和接收线圈的电流比调整至最优，从而进一步优化系 统能量传输效率，并使其在轻载条件下的效率保持在90％以上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简 单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围 的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些 附图获得其他相关的附图，其中：

图1为基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统电路结构图；

图2为基于双边LCC拓扑的IPT系统基波模型图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附 图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发 明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的 组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的发明 的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人 员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被 定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者 是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的简化描述， 而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因 此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述， 而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微 倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安 装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以使机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间 接相连，可以是两个原件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理 解上述术语在本发明中的具体含义。

一种基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统，所述IPT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U_in，所述直流输入电源的能量通过由两个MOS 管Q₁，Q₂和两个并联电容C_q1，C_q2组成的半桥逆变器变换成高频交流电。副边变流器采用倍 流整流器结合Buck-Boost变流器的结构以调节输出功率。谐振网络采用具有恒流输出特性 的双边LCC补偿拓扑。L₁，L₂分别是发射线圈和接收线圈自感，M为两线圈之间的互感；L_p， C₁和C_p为发射线圈L₁的谐振补偿网络；在接收端，补偿网络由C₂和C_s和共同构成。Buck-Boost 变流器的开关频率为f_s，其中D₁和D₂为倍流整流器的两个二极管，L_d1和L_d2为其串联电感， C_L为倍流整流器输出侧支撑电容。其中Q_c、D_c和L_c依次为Buck-Boost变流器的开关管、二 极管和续流电感，C_d为Buck-Boost变流器输出侧支撑电容，R_L为系统负载电阻。

一种基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统效率提升方法，包括如下步骤：

a.建立基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统的基波电路模型；

b.基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统输出特性分析；

c.设计基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统效率优化策略。

进一步地，所述步骤a中等效模型建立的步骤如下：

步骤1：计算半桥逆变器输出电压基波有效值U₁的表达式为：

其中，S＝2sin(π·D)-1，D为半桥逆变器的占空比；

步骤2：倍流整流器输入电流基波有效值I₄与输出电流I_out的关系式为：

步骤3：计算系统的输出电流I_d与输入电压U_in以及Buck-Boost的占空比d的关系：

步骤4：计算整流器输入侧等效负载R_eqL的表达式为：

进一步地，所述步骤b中基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统输出特性分析的步骤如下：

当补偿网络参数满足式(1)时，系统完全谐振：

其中，ω＝2πf为系统的工作角频率，f时系统的工作频率。

磁耦合谐振网络采用双边LCC拓扑结构，其交流侧的等效电路图如图2所示。当忽略线 圈损耗及开关损耗，且系统工作在完全谐振状态时，根据基尔霍夫定律，可列出图2中各 个电压回路的KVL方程组：

其中，R_eqL为整流器交流输入侧等效负载。由式(2)可以解出各个回路中的电流大小

进一步地，所述步骤c中基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统输出特性优化的步骤如下：

在忽略开关损耗的条件下，IPT系统能量传输效率可表示为

由式(4)可知，在输出功率恒定的条件下，发射线圈和接收线圈中的电流有效值I₂和I₃的比例关系满足式(5)时，线圈损耗可达到最小值。

为将线圈中的电流比例调至最优，可对Buck-Boost变流器的占空比d和半桥逆变器的 占空比D进行调节。

当系统输出电流I_d恒定时，逆变器输出电流有效值I₁可表示为：

将式(6)带入式(3)中，可得到发射线圈电流有效值I₂和接收线圈电流I₃关于D和d的 表达式：

由式(5)和(7)可得，系统线圈损耗达到最小值时，S的取值S_optimal：

此时，半桥逆变器的占空比D的取值为：

可知，为满足系统输出电流I_d的大小，Buck-Boost变流器的占空比d应满足：

将式(8)带入式(10)，即可得到在满足系统输出电流I_d的条件下，使系统效率达到最优 的Buck-Boost变流器占空比d_optimal：

本发明针对系统线圈损耗模型进行分析，通过调节接受端的Buck-Boost变流器占空 比和发射端的半桥逆变器的占空比，在确保输出电流的前提下，将线圈电流比例调节至最 优，从而进一步改善系统能量传输效率。

实施例1

如图1所示，一种基于倍流整流&半桥逆变器的IPT系统，所述IPT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U_in，所述直流输入电源的能量 通过由两个MOS管Q₁，Q₂和两个并联电容C_q1，C_q2组成的半桥逆变器变换成高频交流电。副边变流器采用倍流整流器结合Buck-Boost变流器的结构以调节输出功率。谐振网络采用具有恒流输出特性的双边LCC补偿拓扑。L₁，L₂分别是发射线圈和接收线圈自感，M为两线 圈之间的互感；L_p，C₁和C_p为发射线圈L₁的谐振补偿网络；在接收端，补偿网络由C₂和C_s和共同构成。Buck-Boost变流器的开关频率为f_s，其中D₁和D₂为倍流整流器的两个二极 管，L_d1和L_d2为其串联电感，C_L为倍流整流器输出侧支撑电容。其中Q_c、D_c和L_c依次为 Buck-Boost变流器的开关管、二极管和续流电感，C_d为Buck-Boost变流器输出侧支撑电容， R_L为系统负载电阻。

一种基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统效率提升方法，具体步骤如下：

步骤1.根据系统负载R_L,计算整流器交流侧等效负载R_eqL和系统输出电流I_d：

步骤2.在输出功率恒定的条件下，根据发射线圈和接受线圈寄生电阻r_s、r_p，计算在最 优传输效率下的线圈电流I₂、I₃分配关系：

步骤3.在系统输入电压U_in和负载R_L不变的情况下，保证系统输出电流I_d的恒定，

计算Buck-Boost变换器占空比d：

步骤4.在系统线圈损耗达到最小值时，S的取值S_optimal：

步骤5.此时求得半桥逆变器的最优占空比D_optimal：

步骤6.将S的取值S_optimal代入步骤3中求得变换器的最优占空比d_optimal

步骤7.控制系统逆变器占空比D＝D_opt，Buck-Boost变换器占空比d＝d_opt，以调节线圈电 流；

步骤8.变负载后，返回到步骤1。

为验证上述基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统理论分析及效率优化策略的正确性，同 时，验证该IPT系统及其效率提升策略的有效性，本实验在不改变系统输出特性及线圈结 构参数的条件下，准备了一套全桥逆变器和全桥整流器用于对比实验。根据实验现象及结 果，本发明所提出的方法有效减少了发射线圈中的功率损耗，提升了系统能量传输效率。

如上所述即为本发明的实施例。前文所述为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例 中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方 式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明 的验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利 要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在 本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统，其特征在于，包括发射端和接收端，所述发射端包括直流输入电源U_in，所述直流输入电源U_in通过两个MOS管Q₁、Q₂和两个并联电容C_q1、C_q2组成的半桥逆变器变换成高频交流电，还包括副边变流器和谐振网络，副边变流器包括倍流整流器和Buck-Boost变流器，所述倍流整流器包括二极管D₁和二极管D₂，二极管D₁和二极管D₂分别串联有电感L_d1和电感L_d2，倍流整流器还包括输出侧支撑电容C_L，所述Buck-Boost变流器的开关频率为f_s，所述Buck-Boost变流器包括开关管Q_c、二极管D_c和续流电感L_c、输出侧支撑电容C_d，R_L为系统负载，电阻谐振网络通过具有恒流输出特性的双边LCC补偿拓扑，谐振网络包括发射线圈自感L₁、接收线圈自感L₂、发射线圈和接收线圈之间的互感M，电感L_p、电容C₁、电容C_p为发射线圈L₁的谐振补偿网络，接收线圈谐振补偿网络由电容C₂和电容C_s共同构成。

2.一种基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统效率提升方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.建立基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统的基波电路模型；

b.基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统输出特性分析；

c.设计基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统效率优化策略。

3.根据权利要求2所述的一种基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统效率提升方法，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：计算半桥逆变器输出电压基波有效值U₁的表达式为：

其中，S＝2sin(π·D)-1，D为半桥逆变器的占空比；

步骤2：倍流整流器输入电流基波有效值I₄与输出电流I_out的关系式为：

步骤3：计算系统的输出电流I_d与输入电压U_in以及Buck-Boost的占空比d的关系：

步骤4：计算整流器输入侧等效负载R_eqL的表达式为：

4.根据权利要求2所述的一种基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统效率提升方法，其特征在于，所述步骤b中分析步骤如下：

步骤1：由Buck-Boost变流器的占空比

可得，在同样的输入电压U_in和Buck-Boost变流器占空比d的条件下，且D≈50％(即S≈1)时，采用基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统呈现出恒定电流(Constant Current,CC)特性，该电流的大小与负载大小无关，采用基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统，在发射端的补偿网络参数和互感M不变，且将C₂的大小调整为采用全桥逆变器时的8/π²倍时，其具有相同的电流增益，采用半桥逆变器时，逆变器输出电压u₁为采用全桥逆变器的一半，其发射线圈电流i₂的大小也为后者的一半。

5.根据权利要求2所述的一种基于倍流整流&半桥逆变的IPT系统效率提升方法，其特征在于，所述步骤c中优化步骤如下：

步骤1：计算出IPT系统能量的传递效率，通过IPT系统能量的传递效率公式确定电流有效值I₂和I₃的比例关系，使线圈损耗可达到最小值；

步骤2：通过对Buck-Boost变流器的占空比d和半桥逆变器的占空比D进行调节，将线圈中的电流比例调至最优。

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