CN112994260B - 基于模态切换的强抗偏移无线电能传输系统 - Google Patents

基于模态切换的强抗偏移无线电能传输系统 Download PDF

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Abstract

基于模态切换的强抗偏移无线电能传输系统，属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种基于模态切换的强抗偏移无线电能传输系统。本发明是解决了现有无线电能传输系统的原副边耦合机构存在较大偏移，造成后级闭环控制DC/DC变换器的体积大、成本高、效率低的问题。本发明的副边控制器根据整流切换电路的输出电压与DC/DC变换器输入电压的上限和下限向整流切换电路的控制信号输入端输出整流切换指令；副边控制器还将逆变切换指令通过副边无线通信模块传输到副边无线通信模块；原边无线通信模块接收逆变切换指令并传输给原边控制器，所述原边控制器接收到逆变切换指令向逆变切换电路发送状态切换控制信号。本发明适用于无线电能传输技术领域。

Description

基于模态切换的强抗偏移无线电能传输系统
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种强抗偏移无线电能传输系统。
背景技术
无线电能传输技术不需要使用金属电缆等介质就可以传输电能，具有电气隔离、方便、安全等优点，可以很好地解决线缆输电的部分问题。目前，无线电能传输技术已经被广泛应用于电动汽车、植入式医疗、水下探测器、机器人等领域。
在大部分实际的无线电能传输系统中，必然会出现原副边耦合机构相对偏移的现象。为了保证偏移前后系统输出电压或电流不变，需要在整流电路的后级加入闭环控制的DC/DC变换器。当原副边耦合机构之间发生较大偏移时，耦合系数变化范围很大(可能超过10倍)，整流桥输出电压变化剧烈，极大地增加了后级闭环控制DC/DC变换器的设计难度，增大了DC/DC变换器的体积、重量，造成转换效率低，不利于系统的恒压或恒流运行，不符合无线电能传输系统小型化发展趋势。，
发明内容
本发明是为了解决现有无线电能传输系统的原副边耦合机构存在较大偏移，造成后级闭环控制DC/DC变换器的体积大、成本高、效率低的问题。提出了一种基于模态切换的强抗偏移无线电能传输系统。
本发明所述的基于模态切换的强抗偏移无线电能传输系统，该系统包括逆变切换电路1、原边补偿电路2、松耦合变压器3、副边补偿电路4、整流切换电路5、DC/DC变换器6、副边控制器7、副边无线通信模块8、原边无线通信模块9和原边控制器10；
逆变切换电路1的电源输入端连接输入电压源；逆变切换电路1的信号输出端连接原边补偿电路2的信号输入端，所述原边补偿电路2的信号输出端连接松耦合变压器3原边自感线圈LP的两端，松耦合变压器3副边自感线圈LS的两端连接副边补偿电路4的信号输入端，副边补偿电路4的信号输出端连接整流切换电路5的信号输入端，整流切换电路5的信号输出端连接DC/DC变换器6的信号输入端，所述DC/DC变换器6的信号输出端用于连接负载；
副边控制器7的电压采样信号输入端输入整流切换电路5的输出电压；副边控制器7根据整流切换电路5的输出电压和阈值电压上下限值控制整流切换电路5进行整流模态切换；并获取逆变切换电路1的逆变模态控制指令；副边控制器7还将逆变模态切换指令通过副边无线通信模块传输到原边无线通信模块(9)；
原边无线通信模块9将逆模态变切换指令传输给原边控制器10，所述原边控制器10接收到逆变模态切换指令向逆变切换电路1发送状态切换控制信号。
进一步地，逆变切换电路1包括四个开关管Q1、Q2、Q3和Q4；
开关管Q1的源极连接开关管Q3的漏极；
开关管Q2的源极连接开关管Q4的漏极；
开关管Q1的漏极与开关管Q2的漏极连接，并连接输入电压的正电源信号输出端；
开关管Q3的源极连接开关管Q4的源极，并连接输入电压的副电源信号输出端；
开关管Q1的源极和开关管Q2的源极连接原边补偿电路2的信号输入端。
进一步地，整流切换电路5包括开关管Q5、；
四个二极管D1、D2、D3、D4和两个电容C1、C2；
二极管D1的正极连接二极管D3的负极；
二极管D2的正极连接二极管D4的负极；
二极管D1的负极连接二极管D2的负极；
二极管D3的正极连接二极管D4的正极；
二极管D1的正极为整流切换电路5的正电源信号输入端；
二极管D2的正极为整流切换电路5的负电源信号输入端；
二极管D2的正极连接开关管Q5漏极，开关管Q5源极连接电容C1的一端，电容C1的另一端连接二极管D2的负极；
电容C1的一端还连接电容C2的一端，电容C2的另一端连接二极管D4的正极；
电容C2的另一端和电容C1的另一端为整流切换电路5的信号输出端。
进一步地,开关管Q1、Q2、Q3、Q4和Q5均采用金属-氧化物半导体场效应晶体管实现。
进一步地，整流切换电路5包括全桥整流模式和倍压整流模式：
整流切换电路5工作于倍压整流模式时，开关管Q5导通，二极管D2和D4分别被电容C1、C2反向截止，二极管D1和D3交替导通；
整流切换电路5工作于全桥整流模式时，开关管Q5关断，二极管D1、D4和二极管D2、D3两组二极管交替导通。
进一步地，逆变切换电路1包括半桥逆变模式和全桥逆变模式；
逆变切换电路1工作于半桥逆变模式时，开关管Q2一直关断、开关管Q4始终导通、开关管Q1和Q3互补导通
逆变切换电路1工作于全桥逆变模式时，开关管Q1和Q4同步导通、开关管Q2和Q3同步导通、开关管Q1和Q2互补导通。
进一步地，副边控制器7根据整流切换电路5的输出电压和阈值电压上下限值控制整流切换电路5进行整流模态切换；并获取逆变切换电路1的逆变模态控制指令的具体方法为：
当松耦合变压器3原边耦合机构与松耦合变压器3副边耦合机构对正且传输距离等于额定距离时，整流切换电路5工作在全桥整流模式，逆变切换电路1工作在半桥逆变模式，当原边耦合机构与副边耦合机构偏移距离增大直至整流切换电路5输出电压高于切换阈值电压上限USU，副边控制器7控制整流切换电路5切换至倍压整流模式，整流切换电路5输出电压翻倍，使输出电压保持在DC/DC变换器6输入电压范围内；当偏移距离进一步增大直至整流切换电路5输出电压低于切换阈值电压下限USL时，副边控制器7发送控制逆变切换电路1切换至全桥逆变模式的控制指令。
本发明所述无线电能传输模态切换电路通过切换副边整流桥和原边逆变桥的工作模式，有效降低后级DC/DC变换器输入范围，拓展无线电能传输系统有效工作区，提高系统整体性能。当原副边传输距离较近时，耦合机构的耦合系数较高，整流桥输出电压较高，此时系统工作在全桥整流、半桥逆变模式，系统电压增益(直流输出电压与直流输入电压之比)较小。当原副边发生偏移时，系统的耦合系数降低，整流桥输出电压降低，当输出电压低于后级DC/DC变换器6的输入下限时，副边控制器7发出指令，将整流桥切换到倍压整流模式，提高整流桥输出电压，DC-DC变换器可正常工作。当原副边线圈继续偏移，整流桥输出电压再次低于后级DC/DC变换器6的输入下限时，通过无线通信电路将逆变切换指令发送至原边，逆变桥切换到全桥逆变模式，整流桥输出电压升高，重新回到DC/DC变换器6的输入范围内，保证了系统在偏移过程中稳定的电压或电流输出。
附图说明
图1是本发明所述基于模态切换的系统总体电路示意图；
图2是磁耦合机构偏移示意图；
图3是耦合系数由大变小时整流和逆变切换电路1切换过程示意图；
图4是耦合系数由小变大时整流和逆变切换电路1切换过程示意图；
图5(a)是副边线圈沿Z轴偏移20mm过程中耦合系数随偏移变化的曲线图；
图5(b)是副边线圈在图5(a)的基础上，继续沿Y轴偏移40mm过程中耦合系数随偏移变化的曲线图；
图5(c)是副边线圈在图5(b)的基础上，继续沿X轴偏移110mm过程中耦合系数随偏移变化的曲线图；
图6是原副边正对时仿真电路；
图7是原副边正对时同步Buck输入电压及逆变电路输出电压和电流波形图；
图8是偏移向量M＝(36,40,20)时仿真电路图；
图9是偏移向量M＝(36,40,20)时同步Buck输入电压及逆变电路输出电压和电流波形图；
图10是偏移向量M＝(85,40,20)时仿真电路图；
图11是偏移向量M＝(85,40,20)时同步Buck输入电压及逆变电路输出电压和电流波形图；
图12是偏移向量M＝(110,40,20)时仿真电路图；
图13是M＝(110,40,20)时同步Buck输入电压及逆变电路输出电压和电流波形图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于模态切换的强抗偏移无线电能传输系统，包括逆变切换电路1、原边补偿电路2、松耦合变压器3、副边补偿电路4、整流切换电路5、DC/DC变换器6、原边控制器10、原边无线通信模块9、副边控制器7和副边无线通信模块8；
逆变切换电路1的电源输入端连接源Uin；逆变切换电路1的信号输出端连接原边补偿电路2的信号输入端，所述原边补偿电路2的信号输出端连接松耦合变压器3原边自感线圈LP的两端，松耦合变压器3副边自感线圈LS的两端连接副边补偿电路4的信号输入端，副边补偿电路4的信号输出端连接整流切换电路5的信号输入端，整流切换电路5的信号输出端连接DC/DC变换器6的信号输入端，所述DC/DC变换器6的信号输出端用于连接负载；
副边控制器7的电压采样信号输入端输入整流切换电路5的输出电压；副边控制器7根据整流切换电路5的输出电压与DC/DC变换器6输入电压的上限和下限向整流切换电路5的控制信号输入端输出整流切换指令；
副边控制器7还将逆变切换指令通过副边无线通信模块传输到副边无线通信模块；
所述副边无线通信模块与原边无线通信模块9进行无线通信；
原边无线通信模块9接收逆变切换指令并传输给原边控制器10，所述原边控制器10接收到逆变切换指令向逆变切换电路1发送状态切换控制信号。
逆变切换电路1原边补偿电路2松耦合变压器3副边补偿电路4整流切换电路5DC/DC变换器6原边控制器10原边无线通信模块9副边控制器7和副边无线通信模块8逆变切换电路1逆变切换电路1原边补偿电路2原边补偿电路2松耦合变压器3松耦合变压器3副边补偿电路4副边补偿电路4整流切换电路5整流切换电路5DC/DC变换器6DC/DC变换器6副边控制器7整流切换电路5副边控制器7整流切换电路5DC/DC变换器6整流切换电路5副边控制器7原边无线通信模块9原边无线通信模块9原边控制器10原边控制器10逆变切换电路1
本实施方式所述的副边控制器7采集整流电路输出电压UF，通过与DC/DC变换器6输入电压上限USU和输入电压下限USL进行比较，控制Q5的通断，并将逆变切换指令通过无线通信模块发送至原边，原边控制器10接收到副边发来的模式切换指令后，驱动Q1～Q4，实现全桥逆变和半桥逆变的切换。
进一步地，逆变切换电路1包括四个开关管Q1、Q2、Q3和Q4；
开关管Q1的源极连接开关管Q3的漏极；
开关管Q2的源极连接开关管Q4的漏极；
开关管Q1的漏极与开关管Q2的漏极连接，并连接输入电压的正电源信号输出端；
开关管Q3的源极连接开关管Q4的源极，并连接输入电压的副电源信号输出端；
开关管Q1的源极和开关管Q2的源极连接原边补偿电路2的信号输入端。
进一步地，整流切换电路5包括开关管Q5、；
四个二极管D1、D2、D3、D4和两个电容C1、C2；
二极管D1的正极连接二极管D3的负极；
二极管D2的正极连接二极管D4的负极；
二极管D1的负极连接二极管D2的负极；
二极管D3的正极连接二极管D4的正极；
二极管D1的正极为整流切换电路5的正电源信号输入端；
二极管D2的正极为整流切换电路5的负电源信号输入端；
二极管D2的正极连接开关管Q5漏极，开关管Q5源极连接电容C1的一端，电容C1的另一端连接二极管D2的负极；
电容C1的一端还连接电容C2的一端，电容C2的另一端连接二极管D4的正极；
电容C2的另一端和电容C1的另一端为整流切换电路5的信号输出端。
进一步地，整流切换电路5包括全桥整流模式和倍压整流模式：
整流切换电路5工作于倍压整流模式时，开关管Q5导通，二极管D2和D4分别被电容C1、C2反向截止，二极管D1和D3交替导通。
整流切换电路5工作于全桥整流模式时，开关管Q5关断，二极管D1、D4和二极管D2、D3两组二极管交替导通。
整流切换电路5工作原理如下：Q5导通时，整流切换电路5工作于倍压整流模式，D2、D4分别被电容C1、C2反向截止，D1、D3交替导通；Q5关断时，整流切换电路5工作于全桥整流模式，D1、D4和D2、D3两组二极管交替导通。倍压整流电路输出电压为全桥整流电路的两倍，当系统发生偏移导致整流电路输出电压低于DC/DC变换器6输入电压下限时，通过将全桥整流模式切换为倍压整流模式，提高整流电路输出电压，使其保持在DC/DC变换器6的输入电压范围之内。
进一步地，逆变切换电路1包括半桥逆变模式和全桥逆变模式：
逆变切换电路1工作于半桥逆变模式时，开关管Q2一直关断、开关管Q4始终导通、开关管Q1和Q3互补导通。
逆变切换电路1工作于全桥逆变模式时，开关管Q1和Q4同步导通、开关管Q2和Q3同步导通、开关管Q1和Q2互补导通。
本实施方式中逆变切换电路1工作原理如下：Q2始终关断、Q4始终导通、Q1和Q3互补导通时，逆变切换电路1工作于半桥逆变模式；Q1和Q4同步导通、Q2和Q3同步导通、Q1和Q2互补导通时，逆变切换电路1工作于全桥逆变模式。全桥逆变输出电压是半桥逆变的两倍。若系统继续偏移，当倍压整流输出电压再次低于DC/DC变换器6输入电压下限时，通过将半桥逆变模式切换为全桥逆变模式，提高整流电路输出电压，使其再次回到DC/DC变换器6的输入电压范围之内。
进一步地，副边控制器7根据整流切换电路5的输出电压和阈值电压上下限值控制整流切换电路5进行整流模态切换；并获取逆变切换电路1的逆变模态控制指令的具体方法为：
当松耦合变压器3原边耦合机构与松耦合变压器3副边耦合机构对正且传输距离等于额定距离时，整流切换电路5工作在全桥整流模式，逆变切换电路1工作在半桥逆变模式，当原边耦合机构与副边耦合机构偏移距离增大直至整流切换电路5输出电压高于切换阈值电压上限USU，副边控制器7控制整流切换电路5切换至倍压整流模式，整流切换电路5输出电压翻倍，使输出电压保持在DC/DC变换器6输入电压范围内；当偏移距离进一步增大直至整流切换电路5输出电压低于切换阈值电压下限USL时，副边控制器7发送控制逆变切换电路1切换至全桥逆变模式的控制指令。
结合图2对本实施方式中的抗偏移的原理进行说明；图2为无线电能传输系统中耦合机构的偏移示意图；为便于描述，定义偏移向量M＝(a,b,c)，其中a、b、c分别表示副边磁结构沿X、Y、Z轴的偏移距离，单位默认为mm。
最常见的DC/DC变换器6的输入电压可变化2倍左右(例如18V～36V)，当原副边偏移较大时，整流桥输出电压可能变化10倍，后级DC/DC变换器6无法正常工作。
为解决上述问题，本发明提出切换逆变电路和整流电路工作模态的方法，结合图3进行说明，图3为耦合系数由大变小时整流切换电路5和逆变切换电路1的切换过程。
假设后级DC/DC变换器6的输入电压范围为Udc-min～Udc-max；初始状态为原副边耦合机构对正且传输距离等于额定距离，当原副边偏移距离较小时，整流切换电路5工作在全桥整流模式，逆变切换电路1工作在半桥逆变模式，如图3中a～b区间所示；当偏移距离增大直至整流电路输出电压低于切换阈值电压下限USL(切换阈值电压下限USL根据DC/DC变换器的输入电压下限确定，略高于后级DC/DC变换器6输入电压下限Udc-min)时(b点)，整流切换电路5切换至倍压整流模式，其输出电压翻倍，继续保持在DC/DC变换器6输入电压范围内(b～c区间)；当偏移距离进一步增大直至整流电路输出电压再次低于切换阈值电压下限时(c点)，逆变切换电路1切换至全桥逆变模式，整流电路输出电压翻倍，再次落入DC/DC变换器6输入电压范围内(c～d区间)。由图3可知，在整个偏移范围内，整流电路输出电压均在DC/DC变换器6输入电压范围内。
当耦合系数由小变大时，整流切换电路5和逆变切换电路1的切换过程如图4所示，初始状态为原副边耦合机构偏移距离最大，随着偏移距离变小，耦合系数逐渐增大，当增大至整流电路输出电压高于切换阈值电压上限USU(略低于DC/DC变换器6输入电压上限Udc-max)时(e点)，整流切换电路5切换为全桥整流模式，整流电路输出电压减半，落入DC/DC变换器6输入电压范围内；随着偏移距离继续变小，耦合系数进一步增大，当增大至整流电路输出电压再次高于切换阈值电压上限时(f点)，逆变切换电路1切换为半桥逆变模式，整流电路输出电压减半，再次落入DC/DC变换器6输入电压范围内；在f～a区间，虽然耦合系数逐渐增加，但是整流电路输出电压始终在DC/DC变换器6输入电压范围内，系统能够稳定工作。
对比图3和图4可知，图4的过程不是图3过程的逆过程，不论耦合系数由小变大还是由大变小，为了简化切换流程，优先改变整流切换电路5的工作模式，另外，本发明在b～f和c～e区间采用滞回切换策略，防止耦合系数在b(或者f、c、e)点附近导致整流或者逆变切换电路1工作模式频繁改变。通过采用本发明所述的模态切换方法，在不改变DC/DC变换器6输入电压范围的情况下，可将系统耦合系数变化范围拓展约4倍，显著增大无线电能传输系统的抗偏移性能和操作自由度。
具体实施例
耦合机构采用如图2所示的平面方形线圈，单边耦合机构外尺寸为200×200×8mm3，内部方形孔尺寸为80×80mm2，额定传输距离为50mm。
图2所示耦合机构的耦合系数随偏移向量M变化曲线如图5(a)至5(c)所示，偏移过程简述如下：起始时副边线圈与原边线圈正对，传输距离等于额定值(50mm)，此时耦合系数k＝0.378；图5(a)中，副边线圈沿Z轴偏移20mm，即M从(0,0,0)变为(0,0,20)，耦合系数从0.378下降至0.262；图5(b)中，副边线圈在前述Z轴偏移的基础上，继续沿Y轴偏移40mm，即M从(0,0,20)变为(0,40,20)，耦合系数从0.262下降至0.219；图5(c)中，副边线圈在前述Z轴和Y轴偏移的基础上，继续沿X轴偏移110mm，即M从(0,40,20)变为(110,40,20)，耦合系数从0.219下降至0.0506。图5(a)至5(c)所示耦合系数随偏移变化情况只是为进一步说明本发明而列举的一个特例，实际系统中偏移方向和距离只要在允许范围内即可。
电路参数设定如下：系统直流输入电压Uin为200V，采用LCC/S恒压输出型补偿拓扑，后级DC/DC变换器6采用同步Buck电路，其输入电压范围为100V～220V，通过闭环控制将输出电压稳定在80V。本发明中，模态切换阈值电压上(USU)、下限(USL)分别设定为217V和103V。
图6为原副边正对的情况，此时M＝(0,0,0)，原副边耦合系数最高，系统工作在全桥整流、半桥逆变模式。此时整流桥输出电压为200V(如图7所示)，在同步Buck变换器输入电压范围内，系统能够稳定输出80V电压。图7还给出此时逆变器输出电压和电流波形，可知系统输入阻抗角为17.4°，逆变电路实现了ZVS软开关。
图8为当偏移向量M＝(36,40,20)时，原副边耦合系数下降为0.192，此时整流桥输出电压为102V，低于USL(103V)，副边控制器7将整流切换电路5切换到倍压整流模态，如图8所示。此时整流桥输出电压为195V(如图9所示)，在同步Buck变换器输入电压范围内，系统能够稳定输出80V电压。图9还给出逆变器输出电压和电流波形，为减小输入阻抗角，本专利在模态切换的同时将系统工作频率由85kHz调整为88kHz，由图9可知，此时逆变电路实现了ZVS软开关。
图10为当偏移向量M＝(85,40,20)时，原副边耦合系数下降为0.098，此时倍压整流输出电压为100V，低于USL(103V)。此时整流电路已经切换到倍压整流模态，因此副边控制器7将逆变切换指令发送至原边，原边控制器10接收到指令后将逆变电路切换至全桥逆变模态。此时整流桥输出电压200V(如图11所示)，在同步Buck变换器输入电压范围内，系统能够稳定输出80V电压。图11还给出逆变器输出电压和电流波形，此时逆变电路实现了ZVS软开关。
当偏移向量M＝(110,40,20)时，原副边耦合系数下降为0.0506，此时电路如图12所示。图13给出了整流电路输出电压及逆变电路输出电压和电流波形，此时整流桥输出电压为103V，同步Buck输出电压能够稳定在80V。逆变电路输出电流滞后输出电压，实现了ZVS软开关。
前述切换过程可总结如下：当原副边耦合机构偏移较远，耦合系数减小50％左右时，将副边整流桥从全桥整流模式切换至倍压整流模式，当原副边继续偏移，耦合系数减小75％时，将原边逆变桥从半桥逆变模式切换至全桥逆变模式。整个偏移过程中，后级DC/DC变换器6的输入电压范围始终为2倍左右，实现了大范围偏移情况下的恒压输出，显著降低了后级DC/DC变换器6的设计难度，拓展了无线电能传输系统的有效工作区，提高了无线电能传输系统的操作自由度，将推动无线电能传输技术的产业化进程。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (4)

1.基于模态切换的强抗偏移无线电能传输系统，其特征在于，该系统包括逆变切换电路(1)、原边补偿电路(2)、松耦合变压器(3)、副边补偿电路(4)、整流切换电路(5)、DC/DC变换器(6)、副边控制器(7)、副边无线通信模块(8)、原边无线通信模块(9)和原边控制器(10)；
逆变切换电路(1)的电源输入端连接输入电压源；逆变切换电路(1)的信号输出端连接原边补偿电路(2)的信号输入端，所述原边补偿电路(2)的信号输出端连接松耦合变压器(3)原边自感线圈LP的两端，松耦合变压器(3)副边自感线圈LS的两端连接副边补偿电路(4)的信号输入端，副边补偿电路(4)的信号输出端连接整流切换电路(5)的信号输入端，整流切换电路(5)的信号输出端连接DC/DC变换器(6)的信号输入端，所述DC/DC变换器(6)的信号输出端用于连接负载；
副边控制器(7)的电压采样信号输入端输入整流切换电路(5)的输出电压；副边控制器(7)根据整流切换电路(5)的输出电压和阈值电压上下限值控制整流切换电路(5)进行整流模态切换；并获取逆变切换电路(1)的逆变模态控制指令；副边控制器(7)还将逆变模态切换指令通过副边无线通信模块传输到原边无线通信模块(9)；
原边无线通信模块(9)将逆模态变切换指令传输给原边控制器(10)，所述原边控制器(10)接收到逆变模态切换指令向逆变切换电路(1)发送状态切换控制信号；
整流切换电路(5)包括全桥整流模式和倍压整流模式：
整流切换电路(5)工作于倍压整流模式时，开关管Q5导通，二极管D2和D4分别被电容C1、C2反向截止，二极管D1和D3交替导通；
整流切换电路(5)工作于全桥整流模式时，开关管Q5关断，二极管D1、D4和二极管D2、D3两组二极管交替导通；
逆变切换电路(1)包括半桥逆变模式和全桥逆变模式：
逆变切换电路(1)工作于半桥逆变模式时，开关管Q2一直关断、开关管Q4始终导通、开关管Q1和Q3互补导通；
逆变切换电路(1)工作于全桥逆变模式时，开关管Q1和Q4同步导通、开关管Q2和Q3同步导通、开关管Q1和Q2互补导通；
副边控制器(7)根据整流切换电路(5)的输出电压和阈值电压上下限值控制整流切换电路(5)进行整流模态切换；并获取逆变切换电路(1)的逆变模态控制指令的具体方法为：
当松耦合变压器(3)原边耦合机构与松耦合变压器(3)副边耦合机构对正且传输距离等于额定距离时，整流切换电路(5)工作在全桥整流模式，逆变切换电路(1)工作在半桥逆变模式，当原边耦合机构与副边耦合机构偏移距离增大直至整流切换电路(5)输出电压高于切换阈值电压上限USU，副边控制器(7)控制整流切换电路(5)切换至倍压整流模式，整流切换电路(5)输出电压翻倍，使输出电压保持在DC/DC变换器(6)输入电压范围内；当偏移距离进一步增大直至整流切换电路(5)输出电压低于切换阈值电压下限USL时，副边控制器(7)发送控制逆变切换电路(1)切换至全桥逆变模式的控制指令。
2.根据权利要求1所述的基于模态切换的强抗偏移无线电能传输系统，其特征在于，逆变切换电路(1)包括四个开关管Q1、Q2、Q3和Q4；
开关管Q1的源极连接开关管Q3的漏极；
开关管Q2的源极连接开关管Q4的漏极；
开关管Q1的漏极与开关管Q2的漏极连接，并连接输入电压的正电源信号输出端；
开关管Q3的源极连接开关管Q4的源极，并连接输入电压的副电源信号输出端；
开关管Q1的源极和开关管Q2的源极连接原边补偿电路(2)的信号输入端。
3.根据权利要求2所述的基于模态切换的强抗偏移无线电能传输系统，其特征在于，整流切换电路(5)包括开关管Q5、四个二极管D1、D2、D3、D4和两个电容C1、C2；
二极管D1的正极连接二极管D3的负极；
二极管D2的正极连接二极管D4的负极；
二极管D1的负极连接二极管D2的负极；
二极管D3的正极连接二极管D4的正极；
二极管D1的正极为整流切换电路(5)的正电源信号输入端；
二极管D2的正极为整流切换电路(5)的负电源信号输入端；
二极管D2的正极连接开关管Q5漏极，开关管Q5源极连接电容C1的一端，电容C1的另一端连接二极管D2的负极；
电容C1的一端还连接电容C2的一端，电容C2的另一端连接二极管D4的正极；
电容C2的另一端和电容C1的另一端为整流切换电路(5)的信号输出端。
4.根据权利要求3所述的基于模态切换的强抗偏移无线电能传输系统，其特征在于，开关管Q1、Q2、Q3、Q4和Q5均采用金属-氧化物半导体场效应晶体管实现。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113541332A (zh) * 2021-07-21 2021-10-22 成都市易冲半导体有限公司 用于低感量无线充电系统的低压辅助启动电路及工作方法
CN113595256B (zh) * 2021-07-29 2023-05-12 西南交通大学 一种基于混合调制技术提升ss结构wpt系统轻载效率的方法
CN114172377B (zh) * 2021-11-03 2024-02-09 康舒科技股份有限公司 具有电压输出调变的电源转换器

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106160261A (zh) * 2015-05-15 2016-11-23 立锜科技股份有限公司 谐振式无线电源接收电路及控制电路与无线电源转换方法
CN107659001A (zh) * 2017-10-30 2018-02-02 华南理工大学 一种生物医用的无线能量传输系统
CN108011454A (zh) * 2017-12-18 2018-05-08 湘潭大学 基于多发射谐振式无线输电系统的切换装置及控制方法
EP3539814A1 (de) * 2018-03-12 2019-09-18 Zollner Elektronik AG Ladeanordnung für kraftfahrzeuge mit schaltungssteuerung auf der empfängerseite
CN110429691A (zh) * 2019-08-30 2019-11-08 西南交通大学 一种基于半桥切换的恒流-恒压充电无线电能传输系统
CN110707830A (zh) * 2019-11-04 2020-01-17 哈尔滨工业大学 基于交错并联Boost的高效无线电能传输系统
CN110912280A (zh) * 2019-11-27 2020-03-24 北京交通大学 基于双向倍压电路的无线电能传输系统

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107681896A (zh) * 2017-09-28 2018-02-09 盐城工学院 电流型桥式光伏变换器的双占空比控制装置
CN109067192B (zh) * 2018-08-13 2024-02-06 深圳市佳士科技股份有限公司 一种用于宽电压输入的逆变焊割电源的控制电路及装置

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106160261A (zh) * 2015-05-15 2016-11-23 立锜科技股份有限公司 谐振式无线电源接收电路及控制电路与无线电源转换方法
CN107659001A (zh) * 2017-10-30 2018-02-02 华南理工大学 一种生物医用的无线能量传输系统
CN108011454A (zh) * 2017-12-18 2018-05-08 湘潭大学 基于多发射谐振式无线输电系统的切换装置及控制方法
EP3539814A1 (de) * 2018-03-12 2019-09-18 Zollner Elektronik AG Ladeanordnung für kraftfahrzeuge mit schaltungssteuerung auf der empfängerseite
CN110429691A (zh) * 2019-08-30 2019-11-08 西南交通大学 一种基于半桥切换的恒流-恒压充电无线电能传输系统
CN110707830A (zh) * 2019-11-04 2020-01-17 哈尔滨工业大学 基于交错并联Boost的高效无线电能传输系统
CN110912280A (zh) * 2019-11-27 2020-03-24 北京交通大学 基于双向倍压电路的无线电能传输系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Design and Optimization of an Electric Vehicle Wireless Charging System Using Interleaved Boost Converter and Flat Solenoid Coupler;yaoyousu 等;《IEEE Transactions on Power Electronics》;20200825;第36卷(第4期);第3894-3908页 *

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