CN113224951A - 一种动态耦合型的谐振式功率系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种动态耦合型的谐振式功率系统，包括依次连接的电源单元、功率变换单元、复合谐振网络、复合线圈单元和副边整流单元，复合谐振网络具体包括一个或多个功率变换单元之间谐振耦合形成的多个复合谐振组，谐振式功率系统通过功率变换单元控制信号的时序调节、多个电源单元的配合或是复合谐振组的动态调整来实现谐振特性的调整。与现有技术相比，本发明具有对电压或电流调节能力的增强、对谐振软开关特性的动态优化、对无线电能传输网络谐振特性的优化等优点。

Description

一种动态耦合型的谐振式功率系统
技术领域
本发明涉及电能传输技术领域，尤其是涉及一种动态耦合型的谐振式功率系统。
背景技术
谐振网络的特性优化对谐振式功率系统的高密度集成与无线电能传输的效率提升都具有重要意义。作为应用场景之一的无线充电领域中，无线电能传输所用的线圈之间(发射端与接收端之间)形成了一定的谐振网络，其谐振状态会直接影响能量传输的效率，因此系统可能需要加入一些补偿网络来优化其特性。同时，在新能源发电的应用场景中，更高的功率密度已成为重要目标，对于隔离式的DC-DC变换器，最为适用的拓扑是以LLC为代表的谐振软开关电路，其优势在于可实现主开关管的零电压导通(ZVS)和零电流关断(ZCS)。但LLC等谐振变换器的软开关条件也有一定的限制，往往受限于谐振特性，不易在较宽的电压范围内完全实现软开关(具体原因如图1所示)。因此，使用具有宽软开关范围的改进型LLC谐振拓扑结构具有现实意义。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的谐振变换器不易在较宽的电压范围内完全实现软开关的缺陷而提供一种动态耦合型的谐振式功率系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种动态耦合型的谐振式功率系统，包括依次连接的电源单元、功率变换单元、复合谐振网络、复合线圈单元和副边整流单元，所述复合谐振网络具体包括一个或多个所述功率变换单元之间谐振耦合形成的多个复合谐振组，所述谐振式功率系统通过所述功率变换单元控制信号的时序调节、多个所述电源单元的配合或是所述复合谐振组的动态调整来实现谐振特性的调整。
所述谐振式功率系统连接有负载。
所述功率变换单元通过复合线圈单元把电源单元的能量传递到副边整流单元，再经过副边整流单元后提供给负载。
所述功率变换单元包括开关组和谐振单元。
进一步地，所述功率变换单元之间谐振耦合的形式包括谐振单元的组合连接、谐振单元的共享或相互嵌套、加入额外的连接网络。
进一步地，所述额外的连接网络的类型包括电感、电容或谐振网络。
进一步地，所述功率变换单元之间谐振耦合的形式还包括仅有未组合的单个功率变换单元。
所述功率变换单元的结构包括半桥电路、全桥电路、三电平、多电平、桥式级联以及模块化多电平换流器(MMC)。
所述谐振单元的类型包括LC、LLC、CLC、CLLC、LCLC、CLCL或CLLLC以及上述谐振单元与无线电能传输线圈或变压器的组合。
所述电源单元的结构具体为光伏电源或电池。
单个所述功率变换单元参与谐振的方式包括参与多个复合谐振组或作为非谐振式单元存在。
所述复合谐振组中仅有单个功率变换单元时，此时复合谐振组为单路谐振。
所述功率变换单元的控制类型包括PWM信号占空比调节、相位调节和开关频率调节。
进一步地，所述功率变换单元的控制方式包括PWM信号占空比调节、相位调节和开关频率调节中的单种控制类型或多种控制类型的组合。
所述功率变换单元为双端口或三端口或多端口的功率单元。
进一步地，所述谐振式功率系统或其中部分组合可以不使用上述的功率变换单元，所述功率变换单元的使用形式包括在不同复合谐振组中复用。
不同的功率变换单元之间共用全部元器件或不共用全部元器件。
所述功率变换单元的数量与复合谐振组的数量相同，或功率变换单元的数量与复合谐振组的数量不相同。
所述复合线圈单元的具体结构为一个或多个无线电能传输所用的线圈或天线的组合、或者是一个或多个变压器的组合、或者是变压器与无线电能传输所用线圈或天线的组合。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明中多个所述功率变换单元之间谐振耦合形成的多个复合谐振组，通过多谐振单元耦合程度的动态调整来实现谐振特性的实时优化，从而支持无线电能传输系统或高效功率变换系统的性能优化，具体的效果包括直接切换谐振网络结构从而改变谐振特性，以及通过耦合程度的变化在不同工况下模拟不同的等效谐振参数与谐振特性。
2.本发明能够改变复合线圈单元的功率分配和整体的输出，起到调节输出电压或电流的目的。
附图说明
图1为现有技术中谐振网络特性的示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明实施例中变参数特性曲线图；
图4为本发明实施例中变谐振参数示意图；
图5为本发明实施例中简化的谐振耦合示意图；
图6为本发明单组谐振组的结构示意图；
图7为本发明多组谐振组的结构示意图；
图8和图9为本发明复合谐振组的结构示意图；
图10和图11为本发明谐振组交叉耦合的结构示意图；
图12为本发明单组谐振组的具体架构示意图；
图13为本发明多组谐振组的具体架构示意图；
图14和图15为本发明复合谐振组的具体架构示意图；
图16和图17为本发明谐振组交叉耦合的具体架构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，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。
实施例
如图2所示，一种动态耦合型的谐振式功率系统，能够对电压或电流调节能力的增强、对谐振软开关特性的动态优化、对无线电能传输网络谐振特性的优化，具体包括依次连接的电源单元、功率变换单元、复合谐振网络、复合线圈单元和副边整流单元，复合谐振网络具体包括一个或多个功率变换单元之间谐振耦合形成的多个复合谐振组，谐振式功率系统通过功率变换单元控制信号的时序调节、多个电源单元的配合或是复合谐振组的动态调整来实现谐振特性的调整。
本实施例中，包括N+1(N≥1)个参与复合谐振的开关组和N组复合谐振组以及M个电源单元。N+1个参与复合谐振的开关组之间共用部分或全部结构(即实际数量为1至N个功率开关组)，M个电源单元有部分或全部是共用的(即实际数量为1至N个电源单元)。
谐振式功率系统连接有负载。
功率变换单元通过复合线圈单元把电源单元的能量传递到副边整流单元，再经过副边整流单元后提供给负载。
功率变换单元包括开关组和谐振单元，开关组即开关结构组合。
功率变换单元之间谐振耦合的形式包括谐振单元的组合连接、谐振单元的共享或相互嵌套、加入额外的连接网络。
额外的连接网络的类型包括电感、电容或谐振网络。
功率变换单元之间谐振耦合的形式还包括仅有未组合的单个功率变换单元。
功率变换单元的结构包括半桥电路、全桥电路、三电平、多电平、桥式级联以及模块化多电平换流器(MMC)。
谐振单元的类型包括LC、LLC、CLC、CLLC、LCLC、CLCL或CLLLC以及上述谐振单元与无线电能传输线圈或变压器的组合。
电源单元的结构具体为光伏电源或电池。
单个功率变换单元参与谐振的方式包括参与多个复合谐振组或作为非谐振式单元存在。
复合谐振组中仅有单个功率变换单元时，此时复合谐振组为单路谐振。
功率变换单元的控制类型包括PWM信号占空比调节、相位调节和开关频率调节。
功率变换单元的控制方式包括PWM信号占空比调节、相位调节和开关频率调节中的单种控制类型或多种控制类型的组合。
功率变换单元为双端口或三端口或多端口的功率单元。
谐振式功率系统或其中部分组合可以不使用上述的功率变换单元，功率变换单元的使用形式包括在不同复合谐振组中复用。
不同的功率变换单元之间共用全部元器件或不共用全部元器件。
功率变换单元的数量与复合谐振组的数量相同，或功率变换单元的数量与复合谐振组的数量不相同。
如图3所示是本实施例的变参数特性曲线图，重点描述了在不同工况需求下动态切换谐振网络或参数的实施方法，可以使该系统在维持宽电压范围变换的同时，在不同电压区间内实时改变谐振特性的曲线，从而维持较好的软开关特性。如图4所示是本实施例的变谐振参数示意图。
如图5所示显示了一种较为简化的谐振耦合示意图，可以通过双输入(或多输入)复合谐振网络的耦合程度的变换，在不同阶段动态模拟不同谐振特性，从而实现包括图3与图4在内的多种谐振状态的调整。
如图6～图11所示，复合谐振网络中功率变换单元之间的连接方式包括单组谐振组、多组谐振组、复合谐振组以及交叉耦合谐振组，具体工作时如图12～图17所示，由开关组接收控制信号，经过RLC元件和谐振耦合元件后传递到复合线圈单元的变压器和线圈，然后传递到副边整流单元。
复合线圈单元的具体结构为一个或多个无线电能传输所用的线圈或天线的组合、或者是一个或多个变压器的组合、或者是变压器与无线电能传输所用线圈或天线的组合。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种动态耦合型的谐振式功率系统，其特征在于，包括依次连接的电源单元、功率变换单元、复合谐振网络、复合线圈单元和副边整流单元，所述复合谐振网络具体包括一个或多个所述功率变换单元之间谐振耦合形成的多个复合谐振组，所述谐振式功率系统通过所述功率变换单元控制信号的时序调节、多个所述电源单元的配合或是所述复合谐振组的动态调整来实现谐振特性的调整。
2.根据权利要求1所述的一种动态耦合型的谐振式功率系统，其特征在于，所述功率变换单元包括开关组和谐振单元。
3.根据权利要求2所述的一种动态耦合型的谐振式功率系统，其特征在于，所述功率变换单元之间谐振耦合的形式包括谐振单元的组合连接、谐振单元的共享或相互嵌套、加入额外的连接网络。
4.根据权利要求3所述的一种动态耦合型的谐振式功率系统，其特征在于，所述额外的连接网络的类型包括电感、电容或谐振网络。
5.根据权利要求1所述的一种动态耦合型的谐振式功率系统，其特征在于，单个所述功率变换单元参与谐振的方式包括参与多个复合谐振组或作为非谐振式单元存在。
6.根据权利要求1所述的一种动态耦合型的谐振式功率系统，其特征在于，所述复合谐振组中仅有单个功率变换单元时，此时复合谐振组为单路谐振。
7.根据权利要求1所述的一种动态耦合型的谐振式功率系统，其特征在于，所述功率变换单元的控制类型包括PWM信号占空比调节、相位调节和开关频率调节。
8.根据权利要求7所述的一种动态耦合型的谐振式功率系统，其特征在于，所述功率变换单元的控制方式包括PWM信号占空比调节、相位调节和开关频率调节中的单种控制类型或多种控制类型的组合。
9.根据权利要求1所述的一种动态耦合型的谐振式功率系统，其特征在于，所述功率变换单元为双端口或三端口或多端口的功率单元。
10.根据权利要求1所述的一种动态耦合型的谐振式功率系统，其特征在于，所述复合线圈单元的具体结构为一个或多个无线电能传输所用的线圈或天线的组合、或者是一个或多个变压器的组合、或者是变压器与无线电能传输所用线圈或天线的组合。
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CN108631596A (zh) * 2018-04-24 2018-10-09 同济大学 一种复合谐振的宽范围功率变换器
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