CN112600429A - 一种单级单相无线电能传输谐振变换器及其控制策略 - Google Patents

一种单级单相无线电能传输谐振变换器及其控制策略 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种单级单相无线电能传输谐振变换器及其控制策略，属于无线电能传输技术领域。这种变换器是由复用高频逆变的半桥Boost PFC整流电路、发射端谐振网络、接收端谐振网络、高频整流滤波电路、稳压电路和负载依序级联构成。复用高频逆变的半桥Boost PFC整流电路中包含一对半桥功率开关，其既作为PFC整流的控制开关，同时也复用为高频谐振的逆变开关，PFC整流电路输出直流母线电压作为高频逆变电路的直流电源，该电路为耦合谐振电路提供高频激励源；其控制策略是由半桥Boost PFC控制和无线电能高频谐振调制两部分构成，在一个半桥Boost PFC高频开关周期内，对功率开关的控制信号进行谐振调制，在保证高输入功率因数的同时，完成无线电能传输的高频调制。

Description

一种单级单相无线电能传输谐振变换器及其控制策略
技术领域
本发明所涉及的单级单相无线电能传输谐振变换器及其控制策略，属于无线电能传输技术领域。
背景技术
无线电能传输谐振变换器利用自身电路特点将电能转换为电磁能，又将电磁能转换为电能。变换器由一次侧电路和二次侧电路组成，两侧电路之间是通过耦合磁场所联系起来的。一次侧电路将输入工频交流电经过功率因数校正整流环节、高频逆变环节转换为高频交流电，经过谐振耦合电路产生时变磁场，将能量传递给二次侧电路；二次侧电路产生高频交流电，经过高频整流滤波电路和稳压电路，为负载提供所需的直流电。高频逆变环节在谐振变换器中主要起到了如下作用：（1）实现了将功率因数校正整流环节输出直流电压转换为高频交流电；（2）为耦合谐振电路提供高频激励源，高频交流电压频率与耦合谐振电路谐振频率一致，实现无线电能传输谐振变换器的高效传输。
近年来，伴随着人们生活水平的提高和科学技术的发展，越来越多的电子设备走进普通大众的生活中，比如智能手机、笔记本电脑、智能手环、可穿戴设备等。目前，此类可移动设备的供电仍高度依赖传统线缆的接触式供电，随身携带充电设备为人们出行带来不便；高频率的插拔充电器，提高了设备的损坏率；其次在用电供电过程中，采用固体介质输电增大了物理连接的电火花、导线裸露等现象的发生，严重危害人身安全；利用输电导线来传输电能，在水下、工厂车间等恶劣的环境下有诸多局限，采用线缆进行电能的传输阻碍了先进设备的发展，迫切需要新型供电方式。伴随着社会进步、生活水平的提高，人们对于用电安全便捷性的要求、对于智能家居生活的憧憬，促使了无线电能传输领域的发展和进步。同时无线电能传输本身较线缆供电方式所显现的优势，无论是对工农业生产，还是对个人家居生活，都将带来极大的便利。
传统级联式无线电能传输谐振变换器原理框图，如图1所示。目前无线电能传输系统主要采用级联电路，即采取PFC整流电路与DC/AC变换电路串联的方式，此类方式使得电能传输系统电路结构复杂、驱动电路控制难度大、同时不利于减小体积、降低了能量传输效率。
因此积极寻求一种单级谐振式无线电能传输系统，并对现有控制策略进行创新已迫在眉睫，其对于简化无线电能谐振变换器电路结构，减少电路能量损耗，提高谐振变换器电能传输效率将具有十分重要的意义。
发明内容
本发明目的是提供一种输入工频交流电，经过电能变换为耦合谐振电路提供高频激励源，且具有输入高功率因数、拓扑简洁、电能传输效率高、应用前景广泛等优点的无线电能传输谐振变换器，并提出一种单级单相无线电能传输谐振变换器控制策略。
本发明的技术方案在于：一种单级单相无线电能传输谐振变换器，其特征在于该电路是由输入单相工频交流电、复用高频逆变的半桥Boost PFC整流电路、发射端谐振补偿网络、发射端线圈、接收端线圈、接收端谐振补偿网络、高频整流滤波电路、稳压电路和负载依序级联构成；所述的复用高频逆变的半桥Boost PFC整流电路是由1个储能电感、1对半桥功率开关、2个分压电容构成，其中半桥功率开关既作为PFC整流的控制开关，同时也复用为高频谐振的逆变开关，功率因数校正整流电路的输出直流母线电压作为高频逆变电路的直流输入电源；所述的发射端谐振补偿网络、发射端线圈和接收端线圈、接收端谐振补偿网络分别构成了发射端谐振回路和接收端谐振回路，其中，发射端谐振回路连接在直流母线电压中点和半桥中点之间；所述的高频整流滤波电路是由4个高频整流二极管构成，输入连接接收端谐振回路，输出接电容滤波，将接收端谐振回路拾取的交流电转化成直流电；所述的稳压电路是实现谐振变换器与负载间的阻抗匹配，实现输出稳压功能。
一种单级单相无线电能传输谐振变换器控制策略由半桥Boost PFC控制和无线电能高频谐振调制两部分构成。其中，半桥Boost PFC控制采用输出电压外环、电感电流内环的双环控制策略，无线电能高频谐振调制是根据冲量等效原理，在半桥Boost PFC的输出控制信号中，加入高频谐振调制，将传统的一个PFC高频周期仅开关一次的控制方式，转变成含有高频谐振频率的多次开关控制方式，在满足高输入功率因数同时，获得发射端谐振回路的高频激励源。所述的控制策略，其特征在于：在实现半桥Boost PFC控制基础上，通过采样保持器得到功率开关管VS1的高频驱动信号占空比波形duty，由公式（2）、公式（3）分别得到电压信号duty1、duty2，并用高频锯齿波信号对电压信号duty1、duty2调制得到电压信号upulse1、upulse2；利用方波信号（工作频率为高频谐振频率）对电压信号upulse1、upulse2进行高频谐振调制，数据选择器1、2分别输出功率开关管VS1、VS2的高频谐振驱动信号HGVS1、HGVS2；在加入高频谐振调制之后，一个半桥Boost PFC整流环节高频周期内功率开关管驱动信号由两部分构成，一部分驱动信号使得功率开关管VS1、VS2以高频谐振频率交替导通，且在高频谐振周期内，功率开关管导通占空比均为0.5，由公式（4）得该段时间为T1；另一部分使得其中一个功率开关管直通，直到一个高频周期结束，由公式（5）得该段时间为T2。
本发明的单级单相无线电能传输谐振变换器具有电路拓扑简洁、驱动电路简单、电能传输效率高、成本低、应用前景广泛等特点。其综合性能将比传统的多级无线电能传输谐振变换器性能更为优越。
附图说明
图1，传统的级联式无线电能传输谐振变换器原理框图。
图2，单级单相无线电能传输谐振变换器原理框图 。
图3，单级单相无线电能传输谐振变换器电路拓扑。
图4，单级单相无线电能传输谐振变换器控制框图。
图5，单级单相无线电能传输谐振变换器输入电压，储能电感电流，母线电容C1、C2电压，直流母线电压、负载输出电压、电流原理波形图。
图6，单级单相无线电能传输谐振变换器耦合谐振电路一次侧电路电流、端电压，二次侧电路电流、端电压原理波形图。
图7，单级单相无线电能传输谐振变换器半桥Boost PFC整流环节功率开关管高频驱动信号，高频谐振调制功率开关管驱动信号波形图 。
图8，单级单相无线电能传输谐振变换器整体框图。
具体实施方式
下面结合说明书附图及实施例对本发明的技术方案做进一步描述。
传统级联式无线电能传输谐振变换器原理框图如图1所示，从简化电路拓扑结构、提高能量传输效率角度出发，提出一种单级单相无线电能传输谐振变换器及其控制策略。
一种单级单相无线电能传输谐振变换器原理框图、电路拓扑如图2、图3所示，该电路是由输入单相工频交流电、复用高频逆变的半桥Boost PFC整流电路、发射端谐振补偿网络、发射端线圈、接收端线圈、接收端谐振补偿网络、高频整流滤波电路、稳压电路和负载依序级联构成；所述的复用高频逆变的半桥Boost PFC整流电路是由1个储能电感、1对半桥功率开关、2个分压电容构成，其中半桥功率开关既作为PFC整流的控制开关，同时也复用为高频谐振的逆变开关，功率因数校正整流电路的输出直流母线电压作为高频逆变电路的直流输入电源；所述的发射端谐振补偿网络、发射端线圈和接收端线圈、接收端谐振补偿网络分别构成了发射端谐振回路和接收端谐振回路，其中，发射端谐振回路连接在直流母线电压中点和半桥中点之间；所述的高频整流滤波电路是由4个高频整流二极管构成，输入连接接收端谐振回路，输出接电容滤波，将接收端谐振回路拾取的交流电转化成直流电；所述的稳压电路是实现谐振变换器与负载间的阻抗匹配，实现输出稳压功能。
一种单级单相无线电能传输谐振变换器控制策略如图4所示，该控制策略由半桥Boost PFC控制和无线电能高频谐振调制两部分构成。首先实际输出直流母线电压Udc与其参考值Udcref做差将结果输入电压外环PI控制器，得到储能电感电流参考幅值iLref，与输入工频交流电压uac经过PLL（锁相环）得到的储能电感电流参考相位正弦量相乘得到储能电感电流参考值iLref，实际储能电感电流与参考值iLref做差将结果输入电流内环PI控制器，输出电压信号ug通过公式（1）得到电压信号um，同时将与um一同输入比较器1的锯齿波信号uc1的直流偏置设为0，一对半桥功率开关可由比较器1的输出信号控制开通，实现高功率因数校正输入和整流的功能；根据冲量等效原理，在一个半桥Boost PFC高频开关周期内，对功率开关的高频驱动信号进行高频谐振调制，将电压信号um与功率开关管VS1的控制信号输出采样保持器，输出功率开关管VS1的控制信号的占空比duty，由公式（2）、公式（3）分别得到duty1、duty2，duty1与锯齿波信号uc1输入比较器2，得到电压信号upulse1, duty2与锯齿波信号uc1输入比较器3，得到电压信号upulse2，upulse1与方波信号（其频率为高频谐振频率）同输入与门，输出信号作为数据选择器2的d0端口输入信号，同理upulse2与方波信号同输入与门，输出信号作为数据选择器1的d0端口输入信号，方波信号经过非门输出的电压信号与upulse1同输入与门，与电压信号upulse1经过非门输出的电压信号共同输入或门，或门输出信号作为数据选择器1的d1端口输入信号，同理方波信号经过非门输出信号与upulse2同输入与门，与电压信号upulse2经过非门输出的电压信号共同输入或门，或门输出信号作为数据选择器2的d1端口输入信号，输入电压uac与零电势共同输入比较器4，输出信号sign作为数据选择器1、2的S0端口输入信号,数据选择器1、2分别输出功率开关管VS1、VS2的高频谐振调制驱动信号。
um = ug+1 (1)。
duty1= duty*2 (2)。
duty2= duty*2*(-1)+4 (3)。
该谐振变换器稳态工作原理波形图如图5、图6所示，功率开关管高频驱动信号如图7所示，电压信号uvs1、uvs2 为实现半桥Boost PFC整流控制的功率开关管驱动信号；根据冲量等效原理，在半桥Boost PFC的输出控制信号中，加入高频谐振调制，将传统的一个PFC高频周期仅开关一次的控制方式，转变成含有高频谐振频率的多次开关控制方式，其中Duty为在一个PFC高频周期内功率开关VS1、VS2驱动信号最小占空比。在加入高频谐振调制之后，一个半桥Boost PFC整流环节高频周期内功率开关管驱动信号由两部分构成，一部分驱动信号使得功率开关管VS1、VS2以高频谐振频率交替导通，且在高频谐振周期内，功率开关管导通占空比均为0.5，由公式（4）得该段时间为T1；另一部分使得其中一个功率开关管直通，由公式（5）得该段时间为T2。
T1=2*Duty*T（功率开关管高频工作周期） （4）。
T2=T- T1 （5）。
单级单相无线电能传输谐振变换器整体框图如图8所示，本发明的单级单相无线电能传输谐振变换器具有电路拓扑简洁、驱动电路简单、电能传输效率高、应用前景广泛等特点。其综合性能，将比传统的多级无线电能传输谐振变换器性能更为优越。

Claims (5)

1.一种单级单相无线电能传输谐振变换器，其特征在于：该电路是由输入单相工频交流电、复用高频逆变的半桥Boost PFC整流电路、发射端谐振补偿网络、发射端线圈、接收端线圈、接收端谐振补偿网络、高频整流滤波电路、稳压电路和负载依序级联构成；所述的复用高频逆变的半桥Boost PFC整流电路是由1个储能电感、1对半桥功率开关、2个分压电容构成，其中半桥功率开关既作为PFC整流的控制开关，同时也复用为高频谐振的逆变开关，功率因数校正整流电路的输出直流母线电压作为高频逆变电路的直流输入电源；所述的发射端谐振补偿网络、发射端线圈和接收端线圈、接收端谐振补偿网络分别构成了发射端谐振回路和接收端谐振回路，其中，发射端谐振回路连接在直流母线电压中点和半桥中点之间；所述的高频整流滤波电路是由4个高频整流二极管构成，输入连接接收端谐振回路，输出接电容滤波，将接收端谐振回路拾取的交流电转化成直流电；所述的稳压电路是实现谐振变换器与负载间的阻抗匹配，实现输出稳压功能。
2.一种单级单相无线电能传输谐振变换器控制策略由半桥Boost PFC控制和无线电能高频谐振调制两部分构成，其中，半桥Boost PFC控制采用输出电压外环、电感电流内环的双环控制策略，无线电能高频谐振调制是根据冲量等效原理，在半桥Boost PFC的输出控制信号中，加入高频谐振调制，将传统的一个PFC高频周期仅开关一次的控制方式，转变成含有高频谐振频率的多次开关控制方式，在满足高输入功率因数同时，获得发射端谐振回路的高频激励源。
3.根据权力要求书2所述的控制策略，其特征在于：在实现半桥Boost PFC控制基础上，通过采样保持器得到功率开关管VS1的高频驱动信号占空比波形duty，由公式（2）、公式（3）分别得到电压信号duty1、duty2，利用高频锯齿波信号对电压信号duty1、duty2调制得到电压信号upulse1、upulse2。
4.根据权力要求书2所述的控制策略，其特征在于：利用方波信号（工作频率为高频谐振频率）对电压信号upulse1、upulse2进行高频谐振调制，数据选择器1、2分别输出功率开关管VS1、VS2的高频谐振驱动信号HGVS1、HGVS2。
5.根据权力要求书2所述的控制策略，其特征在于：在加入高频谐振调制之后，一个半桥Boost PFC整流环节高频周期内功率开关管驱动信号由两部分构成，一部分驱动信号使得功率开关管VS1、VS2以高频谐振频率交替导通，且在高频谐振周期内，功率开关管导通占空比均为0.5，由公式（4）得该段时间为T1；另一部分使得其中一个功率开关管直通，直到一个高频周期结束，由公式（5）得该段时间为T2。
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