CN207835170U - 一种基于低应力逆变器的无线输电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于低应力逆变器的无线输电系统，包括低应力逆变器、发射部分、接收部分和负载，低应力逆变器作为无线输电系统的高频功率源，发射部分包括发射线圈及与该发射线圈相连的第一电容，接收部分包括接收线圈及与该接收线圈相连的第二电容，接收部分将接收到的电能传送到负载。本实用新型的特点：第一，逆变器的开关管有较低的电压应力；第二，逆变器有较高的电能传输效率；第三，系统的工作频率可达MHz以上。在实际应用中，可根据需求设计相应功率等级和频率。

Description

一种基于低应力逆变器的无线输电系统

技术领域

本实用新型涉及无线电能传输的技术领域，尤其是指一种基于低应力逆变器的无线输电系统。

背景技术

无线电能传输系统中高频逆变电源一直是研究的热点问题，常见的高频逆变电源有E类逆变器、D类逆变器、全桥逆变电路。在功率较大的运用场合中常用D类逆变器、全桥逆变电路，在高频中，上管的驱动需要添加自举或隔离电路以达到和下管驱动的地隔离的目的，这无疑增加了整个逆变器的设计难度，且上下桥臂中两个开关管因电磁干扰误触发而同时导通，开关管上流过很大的电流，从而烧毁开关管，因而D类逆变器、全桥逆变电路的工作频率受到很大的限制。E类逆变器只使用一个开关管，因而可以工作在较高的频率，但E类逆变器中开关管有较大的开关应力，因而整个电路的功率等级受到了很大的限制。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种结构合理可靠、控制简单的基于低应力逆变器的无线输电系统，系统的工作频率可达MHz以上，在实际应用中，可根据需求设计相应功率等级和频率。

为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种基于低应力逆变器的无线输电系统，包括低应力逆变器、发射部分、接收部分和负载；所述低应力逆变器包括直流电压源、扼流线圈、开关管、谐振电感、谐振电容、开关管并联电容，所述发射部分包括发射线圈及与该发射线圈相连的第一电容，所述接收部分包括接收线圈及与该接收线圈相连的第二电容，所述接收部分将接收到的电能传送到负载；其中，所述直流电压源的负极分别与开关管的源极、开关管并联电容的一端、谐振电感的一端相连，所述谐振电感的另一端和谐振电容的一端相连，所述谐振电容的另一端分别与开关管并联电容的另一端、开关管的漏极、扼流线圈的一端、发射线圈的一端相连，所述扼流线圈的另一端和直流电压源的正极、第一电容的一端相连，所述第一电容的另一端和发射线圈的另一端相连，所述接收线圈的一端和第二电容的一端相连，所述第二电容的另一端和负载的一端相连，所述负载和接收线圈的另一端相连。

所述低应力逆变器工作在最优状态时，满足零电压开通和零电压导数开通的条件。

所述低应力逆变器的工作频率、发射部分的谐振频率和接收部分的谐振频率相同。

所述频率范围为0.5MHz～50MHz。

所述谐振电感、谐振电容的谐振频率为2倍的开关频率。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、低应力逆变器中开关管两端并联了一个LC支路，LC在两倍开关管频率处谐振，为电路的二次谐波提供通道，因而可以降低开关管的电压应力。

2、当设计合适的电路参数可以使得低应力逆变器工作在零电压开通和零电压导数开通，使得低应力逆变器有较高的效率。

因此，本实用新型的低应力逆变器很适合作为无线电能传输系统中高频逆变电源，且系统的工作频率可达MHz以上。在实际应用中，可根据需求设计相应功率等级和频率。

附图说明

图1为本实用新型系统的电路图。

图2为低应力逆变器的电路图。

图3为本实用新型系统的仿真图。

图4为本实用新型系统的仿真波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实施例所提供的基于低应力逆变器的无线输电系统，包括低应力逆变器(作为无线输电系统的高频功率源)、发射部分、接收部分和负载R_L2；所述低应力逆变器包括直流电压源u_DC、扼流线圈L_F、开关管Q、谐振电感L_M、谐振电容C_M、开关管并联电容C_F，所述发射部分包括发射线圈L₁及与该发射线圈L₁相连的第一电容C₁，所述接收部分包括接收线圈L₂及与该接收线圈L₂相连的第二电容C₂，所述接收部分将接收到的电能传送到负载R_L2；其中，所述直流电压源u_DC的负极分别与开关管Q的源极、开关管并联电容C_F的一端、谐振电感L_M的一端相连，所述谐振电感L_M的另一端和谐振电容C_M的一端相连，所述谐振电容C_M的另一端分别与开关管并联电容C_F的另一端、开关管Q的漏极、扼流线圈L_F的一端、发射线圈L₁的一端相连，所述扼流线圈L_F的另一端和直流电压源u_DC的正极、第一电容C₁的一端相连，所述第一电容C₁的另一端和发射线圈L₁的另一端相连，所述接收线圈L₂的一端和第二电容C₂的一端相连，所述第二电容C₂的另一端和负载R_L2的一端相连，所述负载R_L2和接收线圈L₂的另一端相连。

低应力逆变器工作在最优状态时，满足零电压开通和零电压导数开通的条件。低应力逆变器的工作频率、发射部分的谐振频率和接收部分的谐振频率相同，频率范围为0.5MHz～50MHz。谐振电感L_M、谐振电容C_M的谐振频率为2倍的开关频率。

低应力逆变器的电路如图2所示，其具体参数设计分析如下：

设流过负载的峰值电流为i_RL1，初始相位为则可以写出负载电流的表达式如下：

在开关管开通和关断的一个周期中，令开关管导通的时间为0≤ωt＜2πD，开关管断开的时间为2πD≤ωt＜2π。

当开关管导通，即0≤ωt＜2πD时，由KCL方程可得流过开关管的电流为：

i_Q(ωt)＝i_DC-i_M(ωt)-i_RL1(ωt) (2)

当开关管导通时，流过此网络的电流为：

将式(3)带入(2)中可得：

当开关管关断，即2πD≤ωt＜2π时，流过谐振网络L_MC_M的电流为：

i_M(ωt)＝i_DC-i_RL1(ωt)-i_CF(ωt) (5)

式(5)中电容C_F的电流：

开关管关断时，谐振网络L_MC_M的端电压等于开关管两端的电压：

对式(7)左右两边同时微分：

结合式(5)、式(6)和式(8)可得：

解得式(9)的通解如式(10)所示：

令式中式(10)化简如下：

由式(9)和式(11)可得通过电容C_F的电流为：

由式(6)和(12)可得开关管的漏极电压为：

根据输入电感上的电压伏秒面积平衡，可知扼流圈电感压降的直流分量为零，可知开关管漏极电压的平均值等于直流电源电压，对式(13)求平均值可得：

由式(14)，并对开关管的漏极电压做归一化处理，可得：

为了保证整个逆变器的高效运行，逆变器需要满足ZVS和ZVDS条件，由式(12)和式(13)可得：

u_Q(2π)＝0 (16)

i_CF(2π)＝0 (17)

由式(3)和式(11)，可得在一个周期内，流过电感L_M的电流表达式如下：

边界条件由开关开通和关断时，电流和电压连续性条件决定，即

i_M(2πD^-)＝i_M(2πD⁺) (19)

i_M(0)＝i_M(2π) (20)

因只考虑开关管漏级电压的基波和三次谐波，令式(13)中的解得k＝1.25。

开关管的电压应力可通过式(12)确定：

基于电路的稳定性、开关管的电压应力和电流应力等因数考虑，选取占空比为D＝0.4。结合式(16)、(17)和(19)～(22)可得相应的参数:A₁＝-1.15,A₂＝-0.47,B₁＝-0.11,B₂＝-1.28,I_RL1/i_DC＝2.87。

将上述参数带入式式(16)可得：

假设直流侧的功率全部传送到负载中，由功率守恒：

结合式(24)和式(25)可得：

由式(26)和I_RL1/i_DC＝2.87,可得电容C_F的计算如下：

因为结合式(27)，则电容C_M的计算如下：

电感L_M和电容C_M组成一个谐振网络，谐振频率为两倍的开关频率，结合式(28)，则电感L_M的计算如下：

开关管漏极电压经过L_S和C_S谐振网络，仅有基波成分通过，即输出的阻抗部分可以由开关管漏极电压的基波成分得到，输出阻抗的实部和输出电流同相和输出阻抗的虚部和输出电流正交:

对开关管的电压进行傅里叶分析：

电感L_X可由下式计算得到：

将式(30)带入式(31)中得：

电容C_S的可通过下式确定：

Q_L为负载品质因数,一般选取为5～20。

电感L_S与电容C_S谐振，谐振频率为开关频率，电感L_S的计算如下:

扼流线圈电感L_F要求足够大以抑制直流侧的纹波电流，扼流线圈电感L_F的一般满足：

根据以上的分析设计。这里给出一组基于低应力逆变器的无线输电系统样例，直流电压u_DC＝20V，开关频率f＝1MHz，占空比D＝0.4，接收线圈的电感L₂＝40μH，接收线圈的内阻R₂＝0.1Ω，负载R_L2＝100Ω，电容C₁＝C₂＝633.25PF,将负载折算到发射端得R_L1＝6.31Ω，低应力逆变器的扼流线圈L_F＝150μH，电感L_M＝1.44μH，电容C_M＝4.398nF，电容C_F＝3.5185nF，电感Ls+L_X＝10.04μH,电容C_S＝2.981nF，将电感L_S和L_X合并到发射线圈中，可设计发射线圈的自感L₁＝50.04μH，发射线圈的内阻R₁＝0.12Ω，C₁＝3.614nF，根据以上参数可建立无线电能传输PSIM仿真如图3所示，得到相应的仿真结果如图4所示，从图4可以看出两个开关管满足了软开关的要求。

以上所述实施例只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于低应力逆变器的无线输电系统，其特征在于：包括低应力逆变器、发射部分、接收部分和负载；所述低应力逆变器包括直流电压源、扼流线圈、开关管、谐振电感、谐振电容、开关管并联电容，所述发射部分包括发射线圈及与该发射线圈相连的第一电容，所述接收部分包括接收线圈及与该接收线圈相连的第二电容，所述接收部分将接收到的电能传送到负载；其中，所述直流电压源的负极分别与开关管的源极、开关管并联电容的一端、谐振电感的一端相连，所述谐振电感的另一端和谐振电容的一端相连，所述谐振电容的另一端分别与开关管并联电容的另一端、开关管的漏极、扼流线圈的一端、发射线圈的一端相连，所述扼流线圈的另一端和直流电压源的正极、第一电容的一端相连，所述第一电容的另一端和发射线圈的另一端相连，所述接收线圈的一端和第二电容的一端相连，所述第二电容的另一端和负载的一端相连，所述负载和接收线圈的另一端相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于低应力逆变器的无线输电系统，其特征在于：所述低应力逆变器的工作频率、发射部分的谐振频率和接收部分的谐振频率相同。

3.根据权利要求2所述的一种基于低应力逆变器的无线输电系统，其特征在于：所述频率范围为0.5MHz～50MHz。

4.根据权利要求1所述的一种基于低应力逆变器的无线输电系统，其特征在于：所述谐振电感、谐振电容的谐振频率为2倍的开关频率。