CN112421972B - 一种无线输电单桥功率电路及其阻抗调节方法 - Google Patents

一种无线输电单桥功率电路及其阻抗调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无线输电单桥功率电路及其阻抗调节方法，补偿电路包括：耦合线圈、电感、电容；整流电路包括：电感、电容、二极管、功率开关及电阻；耦合线圈与第一、第二电容相连；第一电容与第三电容、第一电感相连；第二电容与第三电容、第二电感相连，第一、第三电感相连，第二、第四电感相连；第三电感与第四电容相连，第四电容与第一二极管、第一功率开关相连；第四电感与第五电容相连，第五电容与第二二极管、第二功率开关相连；第一、第二二极管相连后与第六电容、电阻相连，形成输出正极；第一、第二功率开关的相连后与第六电容、电阻相连，形成输出负极。通过本发明，具有受控电量对称、调节范围宽、可控整流电路附件耗能少等优点。

Description

一种无线输电单桥功率电路及其阻抗调节方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种无线输电单桥功率电路及其阻抗调节方法。
背景技术
无线输电系统包括发射电路和接收电路，可以采用双侧LLC结构，在发射电路和接收电路之间存在磁耦合机构，在发射电路和接收电路中存在补偿电路。在接收电路的补偿电路后级为整流电路，获得直流输出电压，为后级负载提供直流电源。直流电源负载多种多样，包括恒功率负载、恒流负载、纯阻负载、逆变器负载和蓄电池负载。从平均角度，在稳态时，对于对称负载，如蓄电池，直流电源负载可以等效为电阻。该电阻取值不同时，磁耦合机构的传输效率不同，为此可以采用可控整流电路，通过调节功率开关的通断规则，可以调节整流电路前面接口端的等效电阻，使得该电阻等于磁耦合机构传输效率最大时的最优负载电阻，则可以保持磁耦合机构传输效率最大。目前常用的起到阻抗匹配作用的电路包括先整流后降压的电路，使得整流电路和降压电路产生更多的损耗，即使磁耦合机构传输效率最大，接收电路的传输效率大打折扣。一种较好办法就是采用可控整流电路，既可以完成整流功能，又可以调节接口端等效电阻，保证在磁耦合机构原副边距离改变以及最终负载电阻改变时，使得接口端等效电阻等于磁耦合机构传输效率最大时对应的电阻。在可控整流电路调节接口端等效电阻的技术文献较少，而且也没有揭露一些实时性较好地阻抗调节算法。
对无线输电后级整流电路和阻抗匹配电路检索发现，尚没有发现对称性较好、实时性较好的等效阻抗调节相关技术。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种无线输电单桥功率电路及其阻抗调节方法，可以应用于无线输电双边LCC接口端阻抗匹配，具有受控电量对称、调节范围宽、可控整流电路附件耗能少等优点。
为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种无线输电单桥功率电路，其包括：补偿电路以及整流电路；其中，
所述补偿电路包括：耦合线圈、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容以及第三电容；
所述整流电路包括：第三电感、第四电感、第四电容、第五电容、第一二极管、第二二极管、第一功率开关、第二功率开关以及电阻；
所述耦合线圈的第一端与第一电容的第一端相连；所述耦合线圈的第二端与所述第二电容的第一端相连；
所述第一电容的第二端分别与所述第三电容的第一端、第一电感的第一端相连；
所述第二电容的第二端分别与所述第三电容的第二端、第二电感的第一端相连，所述第一电感的第二端与所述第三电感的第一端相连，所述第二电感的第二端与所述第四电感的第一端相连；
所述第三电感的第二端与所述第四电容的第一端相连，第四电容的第二端分别与所述第一二极管的阳极、第一功率开关的漏极相连；
所述第四电感的第二端与所述第五电容的第一端相连，第五电容的第二端分别与所述第二二极管的阳极、第二功率开关的漏极相连；
所述第一二极管的阴极、第二二极管的阴极相连后分别与所述第六电容的第一端、电阻的第一端相连，形成输出正极；
所述第一功率开关的源极、第二功率开关的源极相连后分别与所述第六电容的第二端、电阻的第二端相连，形成输出负极。
较佳地，当单桥输入电流峰值两侧控制角在预设范围以内时，所述第一功率开关以及第二功率开关保持关断，所述第六电容处于充电状态，该阶段单桥前电压等于最终输出电压；
当单桥输入电流峰值两侧控制角在预设范围以外时，所述第一功率开关以及第二功率开关保持导通，所述第六电容处于非充电状态，该阶段单桥前电压等于零。
较佳地，所述单桥输入电流峰值两侧控制角的预设范围为[0，π/2]。
所述无线输电单桥功率电路的桥前基波电压为
Figure BDA0002767258020000031
桥前电流为
Figure BDA0002767258020000032
桥前等效电阻为
Figure BDA0002767258020000033
较佳地，所述无线输电单桥功率电路的输出电流平均值为
Figure BDA0002767258020000034
桥前电流为
Figure BDA0002767258020000035
输出电压为
Figure BDA0002767258020000036
桥前等效电阻为
Figure BDA0002767258020000037
较佳地，所述第一功率开关以及所述第二功率开关为SiC半导体第一功率开关以及SiC半导体第二功率开关。
本发明还提供一种无线输电单桥功率电路的阻抗调节方法，其包括：
S71：当单桥输入电流峰值两侧控制角在预设范围以内时，控制所述第一功率开关以及第二功率开关保持关断，所述第六电容处于充电状态，该阶段单桥前电压等于最终输出电压；
S72：当单桥输入电流峰值两侧控制角在预设范围以外时，控制所述第一功率开关以及第二功率开关保持导通，所述第六电容处于非充电状态，该阶段单桥前电压等于零；
所述S11与S22不分先后顺序。
较佳地，还包括以下流程：
令单桥输入电流峰值两侧控制角的预设范围为[0，π/2]。
较佳地，还包括以下流程：
令所述无线输电单桥功率电路的桥前基波电压为
Figure BDA0002767258020000041
桥前电流为
Figure BDA0002767258020000042
桥前等效电阻为
Figure BDA0002767258020000043
较佳地，还包括以下流程：
令所述无线输电单桥功率电路的输出电流平均值为
Figure BDA0002767258020000044
桥前电流为
Figure BDA0002767258020000045
输出电压为
Figure BDA0002767258020000046
桥前等效电阻为
Figure BDA0002767258020000047
相较于现有技术，本发明具有以下优点：
(1)本发明提供的无线输电单桥功率电路及其阻抗调节方法，通过补偿电路以及整流电路，可以优化双边LCC拓扑整个无线输电系统的性能，双边LCC拓扑的磁耦合机构在合适等效电阻时可以获得最大的传输效率；
(2)本发明提供的无线输电单桥功率电路及其阻抗调节方法，通过第三电感与第四电容串联振荡，在第一二极管、第二二极管与第一功率开关、第二功率开关构成的可控单桥输入端产生正弦电流，通过控制第一功率开关、第二功率开关的驱动脉冲规则，可以控制第六电容的充电占比，由此使可控单桥输入端电压波形改变，进而改变接口端AB之间等效电阻；
(4)本发明提供的无线输电单桥功率电路及其阻抗调节方法，通过实时计算磁耦合机构最大传输效率时对应的接口端等效电阻，调节可控单桥中第一功率开关、第二功率开关的驱动脉冲规则，即控制角α大小，使得在最终负载改变时在接口端获得最佳等效电阻；
(3)本发明提供的无线输电单桥功率电路及其阻抗调节方法，通过第一功率开关、第二功率开关采用SiC半导体，其开关频率等于无线输电系统的工作频率，附加损耗得到控制，可以确保整个无线输电系统效率最大化。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：
图1为本发明一实施例的无线输电单桥功率电路的电路图；
图2为本发明一实施例的无线输电单桥功率电路的调节信号图；
图3为本发明一实施例的无线输电双边LCC等效电路图；
图4为本发明一实施例的无线输电双边LCC传输效率与等效电阻关系图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示为本发明一实施例的无线输电单桥功率电路的电路图。
请参考图1，本实施例的无线输电单桥功率电路包括：补偿电路以及整流电路；其中，
补偿电路包括：耦合线圈W1、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2以及第三电容C3；
整流电路包括：第三电感L3、第四电感L4、第四电容C4、第五电容C5、第一二极管D1、第二二极管D2、第一功率开关S1、第二功率开关S2以及电阻R1；
耦合线圈W1的第一端与第一电容C1的第一端相连；耦合线圈W1的第二端与第二电容C2的第一端相连；
第一电容C1的第二端分别与第三电容C3的第一端、第一电感L1的第一端相连；
第二电容C2的第二端分别与第三电容C3的第二端、第二电感L2的第一端相连，第一电感L1的第二端与第三电感L3的第一端相连，第二电感L2的第二端与第四电感L4的第一端相连；
第三电感L3的第二端与第四电容C4的第一端相连，第四电容C4的第二端分别与第一二极管D1的阳极、第一功率开关S1的漏极相连；
第四电感L4的第二端与第五电容C5的第一端相连，第五电容C5的第二端分别与第二二极管D2的阳极、第二功率开关S2的漏极相连；
第一二极管D1的阴极、第二二极管D2的阴极相连后分别与第六电容C6的第一端、电阻R1的第一端相连，形成输出正极；
第一功率开关S1的源极、第二功率开关S2的源极相连后分别与第六电容C6的第二端、电阻R1的第二端相连，形成输出负极。
较佳实施例中，如图2所示为无线输电单桥功率电路的调节信号图，通过控制第一功率开关S1以及第二功率开关S2的控制角α，就可以调节整流电路的前电压波形，电流为正弦波形，即可调节接口端的等效电阻，同时也调节了第六电容C6的充电时间以及负载电阻两端电压。当单桥输入电流峰值两侧控制角α在预设范围以内时，第一功率开关S1以及第二功率开关S2保持关断，第六电容C6处于充电状态，该阶段单桥前电压等于最终输出电压。当单桥输入电流峰值两侧控制角α在预设范围以外时，第一功率开关S1以及第二功率开关S2保持导通，第六电容C6处于非充电状态，该阶段单桥前电压等于零。
较佳实施例中，α∈[0，π/2]。桥前基波电压为
Figure BDA0002767258020000061
令桥前电流为
Figure BDA0002767258020000071
则桥前等效电阻为
Figure BDA0002767258020000072
在控制角为α时，输出电流平均值为
Figure BDA0002767258020000073
则
Figure BDA0002767258020000074
输出电压
Figure BDA0002767258020000075
桥前等效电阻为
Figure BDA0002767258020000076
如图3所示为本发明一实施例提供的无线输电双边LCC等效电路图，双边LCC谐振网络ICPT系统的传输效率为：
Figure BDA0002767258020000077
求取效率对等效负载偏导，并令偏导为零，即
Figure BDA0002767258020000078
求得当效率最大时，等效负载值为
Figure BDA0002767258020000079
如图4所示为本发明实施例提供的无线输电双边LCC传输效率与等效电阻关系图，以汽车无线输电为例，磁耦合机构距离范围21cm～14cm，耦合系数0.09～0.224，开关频率85kHz，原边自感200μH，副边自感200μH，当耦合电感M＝90μH，Rs＝0.2Ω，Rp＝0.2Ω，Cf2＝57.9nF，图中等效电阻Req,opt大约为25Ω时，磁耦合机构传输效率最大，达到0.99以上。上述参数变化时，最大效率以及最大效率所对应的等效电阻将发生相应变化。
一实施例中，上述适合无线输电单桥功率电路的一组优选参数为：
交流电源：耦合线圈W1，200μH，电压1500V，85kHz；
输出电压：额定输出电压400V等级；
输出功率：3.3kW；
开关频率：85kHz；
电容C1～C2：CBB62，270nF；
电容C3：CBB62，146nF；
电容C4～C5：CBB62，100nF；
电容C6：CBB62，2.2μF；
电感L1～L2：27μF；
电感L3～L4：27μF；
二极管D1～D2：SiC，功率二极管，50A@85℃，650V；
功率MOSFET S1～S2：SiC，50A@85℃，650V；
电阻R1：48Ω。
令
Figure BDA0002767258020000081
从中求解可得控制角αopt。当αopt＝0时，Req,opt＝0。当αopt＝π/2时，Req,opt＝(8/π2)R1。可见，在α∈[0,π/2]的取值范围内，等效电阻Req,opt∈(0,8R1/π2)。如果R1较大，很容易满足最优电阻条件。如果R1较小，可以选择α使得等效电阻接近最优电阻条件。
一实施例中，还提供一种无线输电单桥功率电路的阻抗调节方法，其包括以下流程：
S71：当单桥输入电流峰值两侧控制角在预设范围以内时，控制所述第一功率开关以及第二功率开关保持关断，所述第六电容处于充电状态，该阶段单桥前电压等于最终输出电压；
S72：当单桥输入电流峰值两侧控制角在预设范围以外时，控制所述第一功率开关以及第二功率开关保持导通，所述第六电容处于非充电状态，该阶段单桥前电压等于零；
S11与S22不分先后顺序。
较佳实施例中，还包括以下流程：
令单桥输入电流峰值两侧控制角的预设范围为[0，π/2]。
较佳实施例中，还包括以下流程：
令无线输电单桥功率电路的桥前基波电压为
Figure BDA0002767258020000082
桥前电流为
Figure BDA0002767258020000083
桥前等效电阻为
Figure BDA0002767258020000084
较佳实施例中，还包括以下流程：
令无线输电单桥功率电路的输出电流平均值为
Figure BDA0002767258020000091
桥前电流为
Figure BDA0002767258020000092
输出电压为
Figure BDA0002767258020000093
桥前等效电阻为
Figure BDA0002767258020000094
上述实施例的无线输电单桥功率电路及其阻抗调节方法，可以应用于无线输电双边LCC接口端阻抗匹配，具有受控电量对称、调节范围宽、可控整流电路附件耗能少等优点。
此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。

Claims (7)

1.一种无线输电单桥功率电路，其特征在于，包括：补偿电路以及整流电路；其中，
所述补偿电路包括：耦合线圈、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容以及第三电容；
所述整流电路包括：第三电感、第四电感、第四电容、第五电容、第一二极管、第二二极管、第一功率开关、第二功率开关以及电阻；
所述耦合线圈的第一端与第一电容的第一端相连；所述耦合线圈的第二端与所述第二电容的第一端相连；
所述第一电容的第二端分别与所述第三电容的第一端、第一电感的第一端相连；
所述第二电容的第二端分别与所述第三电容的第二端、第二电感的第一端相连，所述第一电感的第二端与所述第三电感的第一端相连，所述第二电感的第二端与所述第四电感的第一端相连；
所述第三电感的第二端与所述第四电容的第一端相连，第四电容的第二端分别与所述第一二极管的阳极、第一功率开关的漏极相连；
所述第四电感的第二端与所述第五电容的第一端相连，第五电容的第二端分别与所述第二二极管的阳极、第二功率开关的漏极相连；
所述第一二极管的阴极、第二二极管的阴极相连后分别与第六电容的第一端、电阻的第一端相连，形成输出正极；
所述第一功率开关的源极、第二功率开关的源极相连后分别与所述第六电容的第二端、电阻的第二端相连，形成输出负极。
2.根据权利要求1所述的无线输电单桥功率电路，其特征在于，当单桥输入电流峰值两侧控制角在预设范围以内时，所述第一功率开关以及第二功率开关保持关断，所述第六电容处于充电状态，该阶段单桥前电压等于最终输出电压；
当单桥输入电流峰值两侧控制角在预设范围以外时，所述第一功率开关以及第二功率开关保持导通，所述第六电容处于非充电状态，该阶段单桥前电压等于零。
3.根据权利要求2所述的无线输电单桥功率电路，其特征在于，所述单桥输入电流峰值两侧控制角的预设范围为[0，π/2]。
4.根据权利要求3所述的无线输电单桥功率电路，其特征在于，所述无线输电单桥功率电路的桥前基波电压为
Figure FDA0003295753150000021
桥前电流为
Figure FDA0003295753150000022
桥前等效电阻为
Figure FDA0003295753150000023
α为单桥输入电流峰值两侧控制角；UO为输出电压；Is为桥前电流。
5.根据权利要求3所述的无线输电单桥功率电路，其特征在于，所述无线输电单桥功率电路的输出电流平均值为
Figure FDA0003295753150000024
桥前电流为
Figure FDA0003295753150000025
输出电压为
Figure FDA0003295753150000026
桥前等效电阻为
Figure FDA0003295753150000027
α为单桥输入电流峰值两侧控制角。
6.根据权利要求1至5任一项所述的无线输电单桥功率电路，其特征在于，所述第一功率开关以及所述第二功率开关为SiC半导体第一功率开关以及SiC半导体第二功率开关。
7.一种无线输电单桥功率电路的阻抗调节方法，其特征在于，用于如权利要求1至6任一项所述的无线输电单桥功率电路的阻抗调节方法，包括：
S71：当单桥输入电流峰值两侧控制角在预设范围以内时，控制所述第一功率开关以及第二功率开关保持关断，所述第六电容处于充电状态，该阶段单桥前电压等于最终输出电压；
S72：当单桥输入电流峰值两侧控制角在预设范围以外时，控制所述第一功率开关以及第二功率开关保持导通，所述第六电容处于非充电状态，该阶段单桥前电压等于零；
所述S71与S72不分先后顺序。
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