CN116345716A - 一种适用于e类主动整流器发射端的自适应谐振网络 - Google Patents

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CN116345716A CN202111603113.7A CN202111603113A CN116345716A CN 116345716 A CN116345716 A CN 116345716A CN 202111603113 A CN202111603113 A CN 202111603113A CN 116345716 A CN116345716 A CN 116345716A
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何良宗
程冰
李乐
刘厚轩
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Abstract

本发明提出了一种适用于E类主动整流器发射端的自适应谐振网络。该自适应谐振网络将传统串联型谐振网络的谐振电容用一个由两条支路构成的自适应等效可调电容替代，该等效电容的每条支路均包含额外的电感与电容，需要注意的是，其中一条支路还串联了一个额外的交流辅助电源。该辅助电源可以在线圈中产生一个辅助电流，与主电源所产生电流进行叠加后，流过发射线圈的总电流与主电源之间的相位差可以得到调整，因此，通过合理地调节辅助电流的幅值与相位，能够保证接收端在发射端的等效电抗发生变化时发射端主电源与发射线圈总电流之间的相位差始终为0，保证其功率输出能力。

Description

一种适用于E类主动整流器发射端的自适应谐振网络
技术领域
本发明涉及E类主动整流器领域，特别是指一种一种适用于E类主动整流器发射端的自适应谐振网络。
背景技术
磁谐振式无线电能传输技术利用接收与发射线圈之间的电磁感应原理，使间隔数厘米乃至数米的非接触式能量传输成为现实，能够有效克服物理连接供电方式中的线路老化、密封性差等缺陷，对于提升供电系统在大功率、高温曝晒、易洪涝等应用场合的灵活性、安全性具有积极意义。
然而，由于耦合线圈之间相对位置的高度不确定性对输出功率的影响，单独的谐振网络无法直接应用于恒压、恒流或恒功率输出场合，因此需要配备额外的功率调节电路。为接收端的被动整流电路级联DC-DC变换器是原理最为简单的一种功率调节策略，但具有额外元件多、功率密度低等缺陷。与之相比，将全桥、半桥整流器的二极管采用MOSFET等主动整流电路进行替代的主动整流方案可以使得整流电路兼具整流与功率调节功能，功率密度更高。但是，该类方法使用的主动开关管数量较多，控制电路成本较高且仅能将输出功率调小。为此，仅采用一个主动开关的E类主动整流器在进一步优化了主电路功率密度的同时，有效降低了控制电路的成本，另外，由于该电路兼具升压与降压功能，在功率可调节范围上更具优势。但是，由于开关管的占空比将会影响接收端的等效电抗，从而对发射端线圈电流与供电电源之间的相位差产生影响，若能消除该相位差，则可以进一步提升E类主动整流器的功率调节范围。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种适用于E类主动整流器发射端的自适应谐振网络，该网络将传统的串联型谐振网络中的谐振电容用包含辅助电压源的二支路等效可调电容进行替代，当发射端等效电抗因主动整流器的占空比发生变化时，可以通过调节等效可调电容容值的方式使发射端谐振网络始终保持在谐振状态，进一步提升了WPT系统的功率传输能力，使得输出功率的可调范围得到增强。
本发明采用如下技术方案：
一种适用于E类主动整流器发射端的自适应谐振网络，所述谐振网络包括：直流电压源vi1用于供能；将直流电压源vi1连接到由第一开关管S1与第二开关管S2构成的半桥逆变电路的直流侧，直流电压源vi1转换为高频交流电压源v1；第一开关管S1与第二开关管S2构成的半桥逆变电路的直流侧串联有发射线圈L1和第一谐振电容，所述第一谐振电容由可变电容模块组成；
可变电容模块由两条LC串联支路以及辅助交流电压源v2构成，所述辅助交流电压源v2由大电容Ci2、第三开关管S3和第四开关管S4组成，所述大电容Ci2连接在第三开关管S3和第四开关管S4构成的半桥逆变电路的直流侧；可变电容模块中，由第三电感L3与第三电容C3构成的LC支路的一端与辅助交流电压源v2的高电平输出端相连，另一端与第二电感L2与第二电容C2所构成LC支路的一端相连；第二电感L2与第二电容C2所构成LC支路的另一端与辅助交流电压源v2的接地端相连；发射端主电路中，发射线圈L1的一端与高频交流电压源v1的高电平输出端相连，另一端与可变电容模块中两条LC支路的交点相连，高频交流电压源v1的接地端与辅助交流电压源v2的接地端直接相连。
具体地，辅助交流电压源v2的相位滞后于高频交流电压源v1四分之一个周期。
具体地，由第一开关管S1和第二开关管S2或第三开关管S3和第四开关管S4所构成的逆变电路采用全桥逆变电路。
具体地，所述E类主动整流器接收端电路包括串联谐振网络，所述串联谐振网络中包含接收线圈L11与第二谐振电容C11，第一电感Le与接收线圈L11与第二谐振电容C11所构成的谐振网络直接并联；二极管De与第四电容Ce并联；负载RO与整流电容CO并联；CO的高电平端与第四电容De的阴极相连，CO的低电平端与串联谐振网络的一端相连，二极管De的阳极与串联谐振网络的另一端相连。
具体地，E类主动整流器接收端电路还包含由第五电容Ca串联第五开关管Sa所构成的辅助电路：第五开关管Sa的漏极与二极管De的阳极相连，第五开关管Sa的源极与第五电容Ca的一端相连，第五电容Ca的另一端与二极管De的阴极相连。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提供的一种适用于E类主动整流器发射端的自适应谐振网络，该网络将传统的串联型谐振网络中的谐振电容用包含辅助电压源的二支路等效可调电容进行替代，当发射端等效电抗因主动整流器的占空比发生变化时，可以通过调节等效可调电容容值的方式使发射端谐振网络始终保持在谐振状态，即始终保持发射端工作在零相位模式，进一步提升了WPT系统的功率传输能力，使得输出功率的可调范围得到增强。
(2)本发明提供的一种适用于E类主动整流器发射端的自适应谐振网络，可调电容模块无需额外控制环节即可实现等效容值的自适应调节，结构简单，使用方便。
(3)可调电容模块中所需的辅助电压源可以利用大电容自行构建，无需接入额外的直流电压源，利用器件本身的特性，实现功能的同时节省能源。
附图说明
图1为本发明实施例提供的采用E类主动整流器以及适用于E类主动整流器的自适应谐振网络的WPT系统原理图；
图2本发明实施例提供的发射线圈电流进行幅值/相位调节的原理示意图；
图3本发明实施例提供的接收端De的导通时间发生变化时，主交流电源v1与线圈总iz1保证零相位模态时，辅助交流电源v2相对于v1的相位；
图4本发明实施例提供的自适应谐振网络与传统串联谐振网络输出功率对比；
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
如图图1中，该发射端谐振网络中，直流电压源vi1可用于供能，由开关器件S1与S2构成的逆变电路可将vi1转换为高频交流电压源v1，发射线圈L1的可用于传递能量，可变电容模块可用于自适容值调节。可变电容模块则由两条LC串联支路以及辅助交流电压源v2构成，而v2则由直流电压源Vi2与S3和S4构成的半桥逆变电路提供。在物理连接上，可变电容模块中，由电感L3与电容C3构成的LC支路的一端与v2的高电平输出端相连，另一端与电感L2与电容C2所构成LC支路的一段相连；L2与C2所构成LC支路的另一端与v2的接地端相连。发射端主电路中，线圈L1的一端与v1的高电平输出端相连，另一端与可变电容模块中两条LC支路的交点相连，v1的接地端与v2的接地端直接相连。需要注意的是，可变电容中的辅助电源Vi2可以利用一个大电容Ci2进行构建而无需额外接入复杂的外部电压源：Ci2可以从主电源Vi1中吸收能量，从而构建出具有自适应调节特性的虚拟电压源Vi2。
接收端包含用于接收能量的串联谐振网络以及用于交直流转换与功率调节的E类主动整流器。其中，串联谐振网络包含接收线圈L11与谐振电容C11；在E类主动整流器，电感Le与L11与C11所构成的谐振网络直接并联；二极管De与电容Ce并联；负载RO与整流电容CO并联；CO的高电平端与De的阴极相连，低电平与串联谐振网络的一端相连，De的阳极与串联谐振网络的另一端相连。进一步地，E类主动整流器还包含由电容Ca串联开关管Sa所构成的辅助电路：Sa的漏极与De的阳极相连，Sa的源极与Ca的一端相连，Ca的另一端与De的阴极相连。
在一较佳实例中，开关管S1、S2、S3、S4、Sa的工作频率被设定为200kHz；接收与发射线圈L1与L11的自感为110μH；接收端电容C11与L11完全谐振，因此被设定为5.75nF；电感Le与电容Ca需足够大，本实例中选取分别被设置为500μH与3μF；电容Ce较小，被设置为100pF。可变电容模块中，电感L2与L3，电容C2与C3的取值并不会影响该模块的自适应调节特性，因此无需被具体限制，在一较佳实例中，L2与L3被分别设置为10μH与100μH，C2与C3被分别设置为2nF与6nF。当系统正常运行时，辅助交流电压源v2需要滞后v1四分之一个周期。
由于v2与v1可以分别在发射线圈L1上产生电流i11与i21，经过附图2所示的电流叠加原理，通过i11与i21合成的发射线圈总电流iz1将始终能够与v1保持零相位关系。如图3所示，当E类主动整流器中的二极管De的导通时间发生变化时，发射端的v1与iz1之间实现零相位工作状态时，v2与v1之间的相位差始终为90°。因此，在实际运行中，只需提前将v2的相位设定好即可在无需额外控制环节的前提下使发射端实现自适应谐振。如图4所示，本发明所提出的适用于E类主动整流器的自适应谐振网络可以将系统的功率传输能力提升约30％。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (5)

1.一种适用于E类主动整流器发射端的自适应谐振网络，所述谐振网络包括：直流电压源vi1用于供能；将直流电压源vi1连接到由第一开关管S1与第二开关管S2构成的半桥逆变电路的直流侧，直流电压源vi1转换为高频交流电压源v1；第一开关管S1与第二开关管S2构成的半桥逆变电路的直流侧串联有发射线圈L1和第一谐振电容，其特征在于，所述第一谐振电容由可变电容模块组成；
可变电容模块由两条LC串联支路以及辅助交流电压源v2构成，所述辅助交流电压源v2由大电容Ci2、第三开关管S3和第四开关管S4组成，所述大电容Ci2连接在第三开关管S3和第四开关管S4构成的半桥逆变电路的直流侧；可变电容模块中，由第三电感L3与第三电容C3构成的LC支路的一端与辅助交流电压源v2的高电平输出端相连，另一端与第二电感L2与第二电容C2所构成LC支路的一端相连；第二电感L2与第二电容C2所构成LC支路的另一端与辅助交流电压源v2的接地端相连；发射端主电路中，发射线圈L1的一端与高频交流电压源v1的高电平输出端相连，另一端与可变电容模块中两条LC支路的交点相连，高频交流电压源v1的接地端与辅助交流电压源v2的接地端直接相连。
2.根据权利要求1所述的一种适用于E类主动整流器发射端的自适应谐振网络，其特征在于，辅助交流电压源v2的相位滞后于高频交流电压源v1四分之一个周期。
3.根据权利要求1所述的一种适用于E类主动整流器发射端的自适应谐振网络，其特征在于，由第一开关管S1和第二开关管S2或第三开关管S3和第四开关管S4所构成的逆变电路采用全桥逆变电路。
4.根据权利要求1所述的一种适用于E类主动整流器发射端的自适应谐振网络，其特征在于，所述E类主动整流器接收端电路包括串联谐振网络，所述串联谐振网络中包含接收线圈L11与第二谐振电容C11，第一电感Le与接收线圈L11与第二谐振电容C11所构成的谐振网络直接并联；二极管De与第四电容Ce并联；负载RO与整流电容CO并联；CO的高电平端与第四电容De的阴极相连，CO的低电平端与串联谐振网络的一端相连，二极管De的阳极与串联谐振网络的另一端相连。
5.根据权利要求4所述的一种适用于E类主动整流器发射端的自适应谐振网络，其特征在于，E类主动整流器接收端电路还包含由第五电容Ca串联第五开关管Sa所构成的辅助电路：第五开关管Sa的漏极与二极管De的阳极相连，第五开关管Sa的源极与第五电容Ca的一端相连，第五电容Ca的另一端与二极管De的阴极相连。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117458736A (zh) * 2023-11-10 2024-01-26 烟台哈尔滨工程大学研究院 基于能量负反馈的自适应谐振wpt系统

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