CN114944710A - 一种无需通信和级联dc-dc变换器的无线充电装置 - Google Patents

一种无需通信和级联dc-dc变换器的无线充电装置 Download PDF

Info

Publication number
CN114944710A
CN114944710A CN202210534420.2A CN202210534420A CN114944710A CN 114944710 A CN114944710 A CN 114944710A CN 202210534420 A CN202210534420 A CN 202210534420A CN 114944710 A CN114944710 A CN 114944710A
Authority
CN
China
Prior art keywords
inductance
compensation
switch tube
wireless charging
switching tube
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210534420.2A
Other languages
English (en)
Inventor
赵清林
王涛
王德玉
赵宏泽
梁明尧
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yanshan University
Original Assignee
Yanshan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Yanshan University filed Critical Yanshan University
Priority to CN202210534420.2A priority Critical patent/CN114944710A/zh
Publication of CN114944710A publication Critical patent/CN114944710A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H02M1/088—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the simultaneous control of series or parallel connected semiconductor devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/3353—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having at least two simultaneously operating switches on the input side, e.g. "double forward" or "double (switched) flyback" converter
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/16—Information or communication technologies improving the operation of electric vehicles

Abstract

本发明公开了一种无需通信和级联DC‑DC变换器的无线充电装置，其特征在于：包括直流源、方波发生器、原边LCC补偿网络、发射线圈、接收线圈、副边可变参数LCC补偿网络、整流滤波电路和负载；所述直流源的输出端与方波发生器的输入端相连；所述方波发生器的输出端与原边补偿网络的输入端相连；所述原边补偿网络的输出端与发射线圈相连；所述接收线圈与副边可变参数补偿网络的输入端相连，所述副边可变参数补偿网络的输出端与整流滤波电路的输入端相连；所述整流滤波电路的输出端与负载相连。本发明避免了原副边之间的通信需求，同时降低了级联DC‑DC变换器带来的成本和体积增加，可实现恒流恒压输出。

Description

一种无需通信和级联DC-DC变换器的无线充电装置
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域，尤其是一种无需通信和级联DC-DC变换器的无线充电装置。
背景技术
近年来，无线电能传输技术以其无需过多的人工操作，可以实现充电智能化和自动化，且具有灵活、安全、适应环境能力强等特点，在诸如电动汽车、水下设备、植入式医疗产品和消费电子等领域受到人们越来越多的关注，并成为目前的研究热点。
对于无线电能传输技术来说，实现恒流恒压充电方式，对于延长电池的使用寿命和提高充电效率具有重要意义。但受制于无线电能传输技术的特点，其发射线圈和接收线圈之间通过磁场耦合，不存在任何直接的电气连接，无法像传统变换器一样，直接将负载的电压电流信息反馈到系统原边，而且这种结构特点容易导致发射线圈和接收线圈发生偏移错位，引起线圈互感发生变化，使系统的输出电压和输出电流偏离正常值，不仅影响电池的使用寿命，而且使系统的安全性和稳定性降低，容易引发安全事故。
对此，有研究人员提出采用无线通信的方式，将负载的电压电流信息传递到原边，通过变频控制方式或移相控制方式对系统输出进行调节，实现系统的恒流恒压输出，但采用无线通信方式，不仅增加系统的成本，而且影响控制的快速性和可靠性。也有研究人员提出系统副边级联DC-DC变换器的方式，这样可以避免原副边之间通信的要求，但会增加系统的体积和成本，降低效率。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种无需通信和级联DC-DC变换器的无线充电装置，在保证系统控制快速性和可靠性的同时又能降低级联DC-DC变换器带来的体积增加。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种无需通信和级联DC-DC变换器的无线充电装置，包括直流源、方波发生器、原边LCC补偿网络、发射线圈、接收线圈、副边可变参数LCC补偿网络、整流滤波电路和负载；所述直流源的输出端与所述方波发生器的输入端相连；所述方波发生器的输出端与所述原边补偿网络的输入端相连；所述原边补偿网络的输出端与所述发射线圈相连；所述接收线圈与所述副边可变参数补偿网络的输入端相连，所述副边可变参数补偿网络包括可变电感和常规补偿网络；所述副边可变参数补偿网络的输出端与所述整流滤波电路的输入端相连；所述整流滤波电路的输出端与所述负载相连。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述方波发生器采用全桥逆变电路，所述全桥逆变电路的占空比为固定值50％，包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4，所述第一开关管S1的漏极和所述第三开关管S3的漏极相连，所述第一开关管S1的源极和所述第二开关管S2的漏极相连，所述第三开关管S3的源极和所述第四开关管S4的漏极相连，所述第二开关管S2的源极和所述第四开关管S4的源极相连。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述原边LCC补偿网络包括原边补偿电感L1、原边并联补偿电容C1、原边串联补偿电容CP；所述原边补偿电感L1的一端连于第一开关管S1的源极和第二开关管S2的漏极；所述原边补偿电感L1的另一端连于所述原边并联补偿电容C1的一端和所述原边串联补偿电容CP的一端；所述原边并联补偿电容C1的另一端连于第三开关管S3的源极、第四开关管S4的漏极以及发射线圈LP的一端；所述原边串联补偿电容CP的另一端连于发射线圈LP的另一端，所述发射线圈LP与接收线圈LS之间过磁场耦合进行能量传递，线圈之间磁场耦合的大小采用互感M来表示。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述副边可变参数LCC补偿网络包括可变电感Lx和副边LCC补偿网络；所述副边LCC补偿网络包括副边串联补偿电容CS、副边并联补偿电容C2、副边补偿电感L2；所述可变电感Lx的一端连于接收线圈LS的一端，可变电感Lx的另一端连于所述副边串联补偿电容CS的一端；所述副边串联补偿电容CS的另一端连于所述副边并联补偿电容C2的一端和所述副边补偿电感L2的一端；所述副边并联补偿电容C2的另一端连于接收线圈LS的另一端。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述可变电感Lx包括两个E型磁芯、主功率电感绕组Nac、直流偏置控制绕组Ndc、直流偏置电源；所述两个E型磁芯开口相对放置，中柱开有一定大小的气隙，两边柱不开气隙；所述主功率电感绕组Nac绕制在开有气隙的中柱上，其中一端连于所述接收线圈LS的一端，另一端连于所述副边串联补偿电容CS的一端；所述直流偏置控制绕组Ndc绕制在边柱上，左右边柱各一组，两组直流偏置控制绕组Ndc的绕向和匝数完全相同；所述两组直流偏置控制绕组Ndc的一端相互连接，另一端分别连接在所述直流偏置电源的两端；所述直流偏置电源采用buck电路或者运算放大电路实现，当直流偏置电源输出的电流Idc逐渐增大时，所述可变电感Lx的电感值逐渐减小。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述整流滤波电路包括整流电路和输出滤波电容Co，所述整流电路包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4；第一二极管D1的阳极和第二二极管D2的阴极连于所述副边补偿电感L2的另一端；第一二极管D1的阴极连于第三二极管D3的阴极、输出滤波电容Co的一端和负载Ro的一端；第三二极管D3的阳极和第四二极管D4的阴极连于所述副边并联补偿电容C2的另一端；第四二极管D4的阳极连于第二二极管D2的阳极、输出滤波电容Co的另一端和负载Ro的另一端。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4的开关频率相等，第一开关管S1、第三开关管S3的开关信号分别与第二开关管S2、第四开关管S4的开关信号互补，且占空比均为0.5，第一开关管S1与第四开关管S4同时导通，同时关断，第二开关管S2与第三开关管S3同时导通，同时关断；所述第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4的开关频率在工作过程中为固定值，且与原边LCC补偿网络、副边LCC补偿网络的固有谐振频率相等，满足以下公式：
Figure BDA0003646916230000041
式中，f为第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4的开关频率。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述可变电感有两种工作模式，分别为恒流模式和恒压模式，恒流模式下，直流跨导增益表达式为：
Figure BDA0003646916230000042
根据直流跨导增益表达式，得到恒流阶段可变电感Lx的匹配公式为：
Figure BDA0003646916230000043
恒压模式下，直流电压增益表达式为：
Figure BDA0003646916230000044
根据直流电压增益表达式，可以得到恒压阶段可变电感Lx的匹配公式为：
Figure BDA0003646916230000045
本发明技术方案的进一步改进在于：在所述恒流模式中，当负载阻值Ro和线圈互感M发生变化时，按照恒流阶段可变电感Lx的匹配公式调节可变电感Lx，实现恒流输出；在所述恒压模式中，当负载阻值Ro和线圈互感M发生变化时，按照恒压阶段可变电感Lx的匹配公式调节可变电感Lx，实现恒压输出；在所述的恒流模式和恒压模式中，可变电感Lx的调节采用闭环控制，直接应用负载Ro的电压Uo、电流Io信息，通过电流环和电压环在各自模式中分别调节可变电感Lx的电感值，使其按照恒流阶段和恒压阶段的匹配公式进行变化，实现恒流恒压输出。
本发明技术方案的进一步改进在于：无线充电装置的系统输入阻抗表达式为：
Figure BDA0003646916230000051
在整个工作范围内，系统的输入阻抗均成感性，所述第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4均实现零电压开通。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
1、本发明与传统变频控制和移相控制相比，避免了原副边之间无线通信的要求，可以直接利用负载的电压电流信息，提高了系统控制的快速性和可靠性，降低了系统成本；
2、本发明与传统级联DC-DC变换器相比，避免了多级变换的要求，仅依靠单级变换，通过调节可变电感的大小，便可以实现恒流恒压输出，减小了系统的体积和成本，结构简单；
3、本发明原边全桥逆变电路的开关管能够在整个工作范围内实现零电压开通，降低了开关损耗，使系统具有较高的效率；
4、本发明在恒压模式中，可变电感只需变化较小的范围即可满足宽负载变化范围的要求。
附图说明
图1是本发明的电路结构示意图；
图2是本发明的电路原理图；
图3是本发明的可变电感结构示意图；
图4是本发明的基波等效电路图；
图5是本发明中可变电感匹配负载阻值和线圈互感变化的关系曲线；
图6是本发明在线圈互感为32μH时不同负载阻值下的可变电感曲线；
图7是本发明在线圈互感为32μH时不同负载阻值下的输出电压和输出电流曲线；
图8是本发明在负载阻值为43Ω时不同线圈互感下的可变电感曲线。
以上附图中的符号名称表示为：A、B、a、b为桥臂中点；Uin为直流源；S1、S2、S3、S4分别为第一、第二、第三、第四开关管；L1为原边补偿电感；C1和CP分别为原边并联补偿电容和原边串联补偿电容；LP为原边发射线圈；LS为接收线圈；M为线圈间的互感；Lx为可变电感；CS和C2为副边串联补偿电容和副边并联补偿电容；L2为副边补偿电感；D1、D2、D3、D4分别为第一、第二、第三、第四二极管；Co为输出滤波电容；Ro为负载；uAB和uab为系统的交流输入电压和交流输出电压；iL1、iLP、iLS、iL2分别为交流输入电流、发射线圈电流、接收线圈电流、交流输出电流；Io和Uo分别为直流输出电流和直流输出电压；
Figure BDA0003646916230000061
和
Figure BDA0003646916230000062
分别为交流输入电压和交流输出电压的基波分量；
Figure BDA0003646916230000063
分别为交流输入电流、发射线圈电流、接收线圈电流、交流输出电流的基波分量；Rac为负载折算到交流侧的等效交流负载；Nac和Ndc分别为主功率电感绕组和直流偏置控制绕组；Φac和Φdc分别为主功率交流磁通和直流偏置磁通；Idc为直流偏置电流。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
实施例1
下面结合附图对本发明实施例1进行详细说明。
如图1所示，一种无需通信和级联DC-DC变换器的无线充电装置，包括直流源、方波发生器、原边LCC补偿网络、发射线圈、接收线圈、副边可变参数LCC补偿网络、整流滤波电路和负载；所述直流源的输出端与所述方波发生器的输入端相连；所述方波发生器的输出端与所述原边补偿网络的输入端相连；所述原边补偿网络的输出端与所述发射线圈相连；所述接收线圈与所述副边可变参数补偿网络的输入端相连，所述副边可变参数补偿网络包括可变电感和常规补偿网络；所述副边可变参数补偿网络的输出端与所述整流滤波电路的输入端相连；所述整流滤波电路的输出端与所述负载相连。
如图2所示，所述方波发生器采用全桥逆变电路，所述全桥逆变电路的占空比为固定值50％，包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4，所述第一开关管S1的漏极和所述第三开关管S3的漏极相连，所述第一开关管S1的源极和所述第二开关管S2的漏极相连，所述第三开关管S3的源极和所述第四开关管S4的漏极相连，所述第二开关管S2的源极和所述第四开关管S4的源极相连。
所述原边LCC补偿网络包括原边补偿电感L1、原边并联补偿电容C1、原边串联补偿电容CP；所述原边补偿电感L1的一端连于第一开关管S1的源极和第二开关管S2的漏极；所述原边补偿电感L1的另一端连于所述原边并联补偿电容C1的一端和所述原边串联补偿电容CP的一端；所述原边并联补偿电容C1的另一端连于第三开关管S3的源极、第四开关管S4的漏极以及发射线圈LP的一端；所述原边串联补偿电容CP的另一端连于发射线圈LP的另一端。
所述发射线圈LP和所述接收线圈LS之间不存在直接的电气连接，通过磁场耦合进行能量传递，线圈之间磁场耦合的大小用互感M来表示。
所述副边可变参数LCC补偿网络包括可变电感Lx和副边LCC补偿网络；所述副边LCC补偿网络包括副边串联补偿电容CS、副边并联补偿电容C2、副边补偿电感L2；所述可变电感Lx的一端连于接收线圈LS的一端，可变电感Lx的另一端连于所述副边串联补偿电容CS的一端；所述副边串联补偿电容CS的另一端连于所述副边并联补偿电容C2的一端和所述副边补偿电感L2的一端；所述副边并联补偿电容C2的另一端连于接收线圈LS的另一端。
所述整流滤波电路包括整流电路和输出滤波电容Co，所述整流电路包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4；第一二极管D1的阳极和第二二极管D2的阴极连于所述副边补偿电感L2的另一端；第一二极管D1的阴极连于第三二极管D3的阴极、输出滤波电容Co的一端和负载Ro的一端；第三二极管D3的阳极和第四二极管D4的阴极连于所述副边并联补偿电容C2的另一端；第四二极管D4的阳极连于第二二极管D2的阳极、输出滤波电容Co的另一端和负载Ro的另一端。
所述原边补偿电感L1和所述副边补偿电感L2的电感值相等；所述原边并联补偿电容C1和所述副边并联补偿电容C2的电容值相等；所述原边串联补偿电容CP和所述副边串联补偿电容CS的电容值相等；所述发射线圈LP和所述接收线圈LS的自感值相等。
如图3所示，所述磁控可变电感包括两个E型磁芯、主功率电感绕组Nac、直流偏置控制绕组Ndc、直流偏置电源；所述两个E型磁芯开口相对放置，中柱开有一定大小的气隙，两边柱不开气隙；所述主功率电感绕组Nac绕制在开有气隙的中柱上，其中一端连于所述接收线圈LS的一端，另一端连于所述副边串联补偿电容CS的一端；所述直流偏置控制绕组Ndc绕制在边柱上，左右边柱各一组，两组直流偏置控制绕组Ndc的绕向和匝数完全相同；所述两组直流偏置控制绕组Ndc的一端相互连接，另一端分别连接在所述直流偏置电源的两端；所述直流偏置电源可采用buck电路或者运算放大电路来实现，当直流偏置电源输出的电流Idc逐渐增大时，所述可变电感Lx的电感值将会逐渐减小。
所述第一、第二、第三、第四开关管S1、S2、S3、S4的开关频率相等，第一开关管S1、第三开关管S3的开关信号分别与第二开关管S2、第四开关管S4的开关信号互补，且占空比均为0.5，第一开关管S1与第四开关管S4同时导通，同时关断，第二开关管S2与第三开关管S3同时导通，同时关断；在具体实施时，第一开关管S1和第二开关管S2的开关信号之间必须设置合理的死区时间以避免发生桥臂直通，第三开关管S3和第四开关管S4的开关信号之间必须设置合理的死区时间以避免发生桥臂直通；所述第一、第二、第三、第四开关管S1、S2、S3、S4的开关频率在工作过程中为固定值，且与原边、副边LCC补偿网络的固有谐振频率相等，满足：
Figure BDA0003646916230000091
式中，f为第一、第二、第三、第四开关管S1、S2、S3、S4的开关频率。
图4是本发明无需通信和级联DC-DC变换器无线充电装置实施例1的基波等效电路图，在分析前做如下假设：(1)系统处于稳定运行状态；(2)系统中所有元器件均为理想元件，忽略寄生阻抗的影响；(3)只考虑电路中交流基波成分，忽略高次谐波的影响.
根据图2及图4的基波分析法，可以得到直流跨导增益和直流电压增益为：
Figure BDA0003646916230000092
Figure BDA0003646916230000093
从实施例1的直流跨导增益和直流电压增益可以看到，式中只有三个自变量，分别为线圈互感M、负载阻值Ro、可变电感Lx，当线圈互感M或者负载阻值Ro变化时，需要调节可变电感Lx的值，用以匹配线圈互感M或者负载阻值Ro的变化，便可以保证直流跨导增益和直流电压增益的稳定。
根据直流跨导增益表达式，可以得到恒流阶段可变电感Lx的匹配公式为：
Figure BDA0003646916230000094
根据直流电压增益表达式，可以得到恒压阶段可变电感Lx的匹配公式为：
Figure BDA0003646916230000101
优选地，本发明提出的无需通信和级联DC-DC变换器的无线充电装置实施例1有两种工作模式，分别为恒流模式和恒压模式；在所述恒流模式中，当负载阻值Ro和线圈互感M发生变化时，只需按照恒流阶段可变电感Lx的匹配公式调节可变电感Lx，便可以实现恒流输出；在所述恒压模式中，当负载阻值Ro和线圈互感M发生变化时，只需按照恒压阶段可变电感Lx的匹配公式调节可变电感Lx，便可以实现恒压输出；在所述的恒流模式和恒压模式中，可变电感Lx的调节采用闭环控制，可以直接应用负载Ro的电压Uo、电流Io信息，通过电流环和电压环在各自模式中分别调节可变电感Lx的电感值，使其按照恒流阶段和恒压阶段的匹配公式进行变化，实现恒流恒压输出。
根据图4，可以得到本实施例的系统输入阻抗表达式为：
Figure BDA0003646916230000102
从系统输入阻抗表达式可以看出，在整个工作范围内，系统的输入阻抗均成感性，因此在整个工作范围内，所有开关器件均能实现零电压开通。
本实施例中，相关电路参数为：直流源Uin＝400V；第一、第二、第三、第四开关管S1、S2、S3、S4的开关频率f＝85kHz；原边补偿电感L1和副边补偿电感L2的电感值相等，为38μH；原边并联补偿电容C1和副边并联补偿电容C2的电容值相等，为92nF；原边串联补偿电容CP和副边串联补偿电容CS的电容值相等，为24nF；发射线圈LP和接收线圈LS的自感值相等，为183μH；线圈间互感M为23μH～32μH；恒流阶段，输出电流Io＝7.5A，输出电压Uo为250V～400V，负载阻值Ro的变化范围为：33.3Ω～53.3Ω；恒压阶段，输出电压Uo＝400V，输出电流Io为0.75A～7.5A，负载阻值Ro的变化范围为53.3Ω～533Ω。
图5是本发明无需通信和级联DC-DC变换器无线充电装置实施例1中可变电感匹配负载阻值和线圈互感变化的关系曲线；从图中可以看出，在恒流阶段可变电感Lx随负载阻值Ro的增加而单调递减，在恒压阶段可变电感Lx随负载阻值Ro的增加而单调递增，同时可以看到，在恒压模式中，可变电感Lx只需变化较小的范围即可满足宽负载变化范围的要求；对于可变电感Lx与线圈互感M的关系来说，可以看到，随着线圈互感M的增加，可变电感Lx需要匹配的值也越大。
根据仿真，可以得到可变电感Lx匹配不同负载阻值Ro和线圈互感M时的电感值；图6给出了本发明无需通信和级联DC-DC变换器无线充电装置实施例1在线圈互感为32μH时不同负载阻值下的可变电感曲线；图7给出了本发明无需通信和级联DC-DC变换器无线充电装置实施例1在线圈互感为32μH时不同负载阻值下的输出电压和输出电流曲线；在图6和图7中，负载阻值取值情况为33.3Ω、43Ω、53.3Ω、64Ω、80Ω、120Ω、160Ω；从图中可以看出，通过调节可变电感Lx的值，恒流阶段输出电流Io维持7.5A不变，恒压阶段输出电压Uo维持400V不变，系统实现了恒流恒压输出。
图8为本发明无需通信和级联DC-DC变换器无线充电装置实施例1在负载阻值为43Ω时不同线圈互感下的可变电感曲线；在图8中，线圈互感M取值情况为32μH、29μH、26μH、23μH；从图中可以看出，当负载阻值Ro不变时，随着线圈互感M的逐渐减小，所需要匹配的可变电感值也越小。

Claims (10)

1.一种无需通信和级联DC-DC变换器的无线充电装置，其特征在于：包括直流源、方波发生器、原边LCC补偿网络、发射线圈、接收线圈、副边可变参数LCC补偿网络、整流滤波电路和负载；所述直流源的输出端与所述方波发生器的输入端相连；所述方波发生器的输出端与所述原边补偿网络的输入端相连；所述原边补偿网络的输出端与所述发射线圈相连；所述接收线圈与所述副边可变参数补偿网络的输入端相连，所述副边可变参数补偿网络包括可变电感和常规补偿网络；所述副边可变参数补偿网络的输出端与所述整流滤波电路的输入端相连；所述整流滤波电路的输出端与所述负载相连。
2.根据权利要求1所述的一种无需通信和级联DC-DC变换器的无线充电装置，其特征在于：所述方波发生器采用全桥逆变电路，所述全桥逆变电路的占空比为固定值50％，包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4，所述第一开关管S1的漏极和所述第三开关管S3的漏极相连，所述第一开关管S1的源极和所述第二开关管S2的漏极相连，所述第三开关管S3的源极和所述第四开关管S4的漏极相连，所述第二开关管S2的源极和所述第四开关管S4的源极相连。
3.根据权利要求2所述的一种无需通信和级联DC-DC变换器的无线充电装置，其特征在于：所述原边LCC补偿网络包括原边补偿电感L1、原边并联补偿电容C1、原边串联补偿电容CP；所述原边补偿电感L1的一端连于第一开关管S1的源极和第二开关管S2的漏极；所述原边补偿电感L1的另一端连于所述原边并联补偿电容C1的一端和所述原边串联补偿电容CP的一端；所述原边并联补偿电容C1的另一端连于第三开关管S3的源极、第四开关管S4的漏极以及发射线圈LP的一端；所述原边串联补偿电容CP的另一端连于发射线圈LP的另一端，所述发射线圈LP与接收线圈LS之间过磁场耦合进行能量传递，线圈之间磁场耦合的大小采用互感M来表示。
4.根据权利要求3所述的一种无需通信和级联DC-DC变换器的无线充电装置，其特征在于：所述副边可变参数LCC补偿网络包括可变电感Lx和副边LCC补偿网络；所述副边LCC补偿网络包括副边串联补偿电容CS、副边并联补偿电容C2、副边补偿电感L2；所述可变电感Lx的一端连于接收线圈LS的一端，可变电感Lx的另一端连于所述副边串联补偿电容CS的一端；所述副边串联补偿电容CS的另一端连于所述副边并联补偿电容C2的一端和所述副边补偿电感L2的一端；所述副边并联补偿电容C2的另一端连于接收线圈LS的另一端。
5.根据权利要求4所述的一种无需通信和级联DC-DC变换器的无线充电装置，其特征在于：所述可变电感Lx包括两个E型磁芯、主功率电感绕组Nac、直流偏置控制绕组Ndc、直流偏置电源；所述两个E型磁芯开口相对放置，中柱开有一定大小的气隙，两边柱不开气隙；所述主功率电感绕组Nac绕制在开有气隙的中柱上，其中一端连于所述接收线圈LS的一端，另一端连于所述副边串联补偿电容CS的一端；所述直流偏置控制绕组Ndc绕制在边柱上，左右边柱各一组，两组直流偏置控制绕组Ndc的绕向和匝数完全相同；所述两组直流偏置控制绕组Ndc的一端相互连接，另一端分别连接在所述直流偏置电源的两端；所述直流偏置电源采用buck电路或者运算放大电路实现，当直流偏置电源输出的电流Idc逐渐增大时，所述可变电感Lx的电感值逐渐减小。
6.根据权利要求5所述的一种无需通信和级联DC-DC变换器的无线充电装置，其特征在于：所述整流滤波电路包括整流电路和输出滤波电容Co，所述整流电路包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4；第一二极管D1的阳极和第二二极管D2的阴极连于所述副边补偿电感L2的另一端；第一二极管D1的阴极连于第三二极管D3的阴极、输出滤波电容Co的一端和负载Ro的一端；第三二极管D3的阳极和第四二极管D4的阴极连于所述副边并联补偿电容C2的另一端；第四二极管D4的阳极连于第二二极管D2的阳极、输出滤波电容Co的另一端和负载Ro的另一端。
7.根据权利要求6所述的一种无需通信和级联DC-DC变换器的无线充电装置，其特征在于：所述第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4的开关频率相等，第一开关管S1、第三开关管S3的开关信号分别与第二开关管S2、第四开关管S4的开关信号互补，且占空比均为0.5，第一开关管S1与第四开关管S4同时导通，同时关断，第二开关管S2与第三开关管S3同时导通，同时关断；所述第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4的开关频率在工作过程中为固定值，且与原边LCC补偿网络、副边LCC补偿网络的固有谐振频率相等，满足以下公式：
Figure FDA0003646916220000031
式中，f为第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4的开关频率。
8.根据权利要求7所述的一种无需通信和级联DC-DC变换器的无线充电装置，其特征在于：所述可变电感有两种工作模式，分别为恒流模式和恒压模式，恒流模式下，直流跨导增益表达式为：
Figure FDA0003646916220000032
根据直流跨导增益表达式，得到恒流阶段可变电感Lx的匹配公式为：
Figure FDA0003646916220000033
恒压模式下，直流电压增益表达式为：
Figure FDA0003646916220000034
根据直流电压增益表达式，可以得到恒压阶段可变电感Lx的匹配公式为：
Figure FDA0003646916220000041
9.根据权利要求8所述的一种无需通信和级联DC-DC变换器的无线充电装置，其特征在于：在所述恒流模式中，当负载阻值Ro和线圈互感M发生变化时，按照恒流阶段可变电感Lx的匹配公式调节可变电感Lx，实现恒流输出；在所述恒压模式中，当负载阻值Ro和线圈互感M发生变化时，按照恒压阶段可变电感Lx的匹配公式调节可变电感Lx，实现恒压输出；在所述的恒流模式和恒压模式中，可变电感Lx的调节采用闭环控制，直接应用负载Ro的电压Uo、电流Io信息，通过电流环和电压环在各自模式中分别调节可变电感Lx的电感值，使其按照恒流阶段和恒压阶段的匹配公式进行变化，实现恒流恒压输出。
10.根据权利要求9所述的一种无需通信和级联DC-DC变换器的无线充电装置，其特征在于：无线充电装置的系统输入阻抗表达式为：
Figure FDA0003646916220000042
在整个工作范围内，系统的输入阻抗均成感性，所述第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4均实现零电压开通。
CN202210534420.2A 2022-05-17 2022-05-17 一种无需通信和级联dc-dc变换器的无线充电装置 Pending CN114944710A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210534420.2A CN114944710A (zh) 2022-05-17 2022-05-17 一种无需通信和级联dc-dc变换器的无线充电装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210534420.2A CN114944710A (zh) 2022-05-17 2022-05-17 一种无需通信和级联dc-dc变换器的无线充电装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114944710A true CN114944710A (zh) 2022-08-26

Family

ID=82906803

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210534420.2A Pending CN114944710A (zh) 2022-05-17 2022-05-17 一种无需通信和级联dc-dc变换器的无线充电装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114944710A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115664221A (zh) * 2022-12-07 2023-01-31 武汉理工大学 一种基于变谐振电感的最优软开关电路及其控制方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115664221A (zh) * 2022-12-07 2023-01-31 武汉理工大学 一种基于变谐振电感的最优软开关电路及其控制方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2018126617A1 (zh) 一种恒流恒压复合拓扑的无线充电电路
US7199569B1 (en) Switching power supply unit
CN103201940B (zh) 级联功率系统架构
CN112234835B (zh) 一种可变结构组合型llc谐振变换器
CN111525809B (zh) 一种输出电压可调的高频混合型直流变换器
CN112087143B (zh) 一种多端输入单端输出的准并联谐振变换器
CN111740504B (zh) 一种无线充电控制方法及无线充电系统
CN114465490A (zh) 一种交错倍压宽输出llc谐振变换器及其控制方法
CN110048520A (zh) 原边具有c-lcc补偿网络的无线充电装置
CN114944710A (zh) 一种无需通信和级联dc-dc变换器的无线充电装置
CN111740510B (zh) 基于移相调节控制的无线充电方法及系统
CN113726029A (zh) 一种基于可变电感的wpt系统高效恒流/恒压充电方法
CN114884363B (zh) 一种六倍增益比的双llc谐振变换器及其控制方法
CN212627329U (zh) 一种无线充电系统的发射端、接收端及无线充电系统
CN115693981A (zh) 一种具有紧凑接收端的无线电能传输补偿拓扑结构及系统
CN114734842A (zh) 一种双侧LCC-nT拓扑的低压大电流无线充电系统
CN113489339A (zh) 一种混合调制双输出dc-dc变换器及其控制方法
CN113472215A (zh) 一种拓宽llc输出电压范围控制方法、电路及装置
CN113162167A (zh) 一种恒流恒压自主切换的无线充电系统
CN212627328U (zh) 基于调压控制的无线充电系统发射端、接收端及系统
TWI818776B (zh) 電源轉換器
CN212627330U (zh) 基于移相调节控制的无线充电系统发射端、接收端及系统
CN110729876B (zh) 一种提高变压器传输比的方法、变压器和高压电源
CN113258782B (zh) 基于耦合电感的可变电感电路及方法
CN113328534B (zh) 一种无线电能接收端的主副线圈联合电压装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination