CN212210616U - 谐振电路、无线充电发射电路、接收电路及无线充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种谐振电路、无线充电发射电路、接收电路及无线充电装置，属于无线电能传输技术领域，其中谐振电路包括谐波抑制模块以及谐振模块，所述谐波抑制模块包括第一电感和第一电容，所述第一电感与所述第一电容相互并联后串联所述谐振模块，且所述谐波抑制模块的谐振频率为三次谐波频率。本发明所提出的谐振电路中谐波抑制模块采用LC并联结构，LC并联结构实现了利用电感值很小的电感就能够对三次谐波产生无穷大的阻抗，实现完全消除三次谐波电流，而LC并联结构对基波的阻抗较小，基波电流的衰减较小，因此基波电流可以顺利通过谐波抑制模块。

Description

谐振电路、无线充电发射电路、接收电路及无线充电装置

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，尤其涉及一种谐振电路、无线充电发射电路、接收电路及无线充电装置。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transmission，WPT)作为一种理想的供电方式，以安全性高、充电范围大和可控性能好等优势在近年来得到了快速的发展，并得到了广泛应用。

在无线充电系统中，需要添加谐振补偿电路，以提高系统的能量传输效率。当谐振补偿电路阶数较高时，如LCC/LCL拓扑结构，会不可避免的产生三次谐波电流。传统做法是，增加一级LC串联电路抑制三次谐波电流，传统的LC串联抑制电路如图1的谐振电路中虚线框所示，图1仅以LCC拓扑结构为例进行说明，其中LC串联抑制电路包括串联的电容C_b和电感L_b，LC串联抑制电路串接在逆变电路与拓扑结构之间，对于基波频率(例如85kHz)，LC串联抑制电路的阻抗为0，即

其中j为复数单位，ω为谐振频率角频率，C_b为电容值，L_b为电感值；对于三次谐波电压，频率为基波频率的三倍，LC串联抑制电路的阻抗为

该阻抗可减小三次谐波电压产生的三次谐波电流。显然，传统的LC串联抑制电路对于三次谐波电流的阻抗与电感L_b的电感值成正比，理论上如果想利用传统的LC串联抑制电路完全消除三次谐波电流，需要电感L_b的电感值为无穷大，然而实际电感L_b的电感值有限，因此传统的LC串联抑制电路无法实现三次谐波电流的完全消除，从而增大了系统损耗，降低了传输效率。

发明内容

本发明实施例提供一种谐振电路、无线充电发射电路、接收电路及无线充电装置，旨在解决传统的LC串联抑制电路所需电感的电感值较大，且无法完全消除三次谐波电流的技术问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：

一种谐振电路，包括谐波抑制模块以及谐振模块，所述谐波抑制模块包括第一电感和第一电容，所述第一电感与所述第一电容相互并联后串联所述谐振模块，且所述谐波抑制模块的谐振频率为三次谐波频率。

一种无线充电发射电路，包括：

逆变电路；

如上所述的谐振电路；

所述逆变电路连接所述谐振电路。

一种无线充电接收电路，其特征在于，包括：

整流电路；

如上所述的谐振电路；

所述整流电路连接所述谐振电路。

一种无线充电装置，其特征在于，包括：

如上所述的发射电路；

如上所述的接收电路。

本发明的有益效果在于：本发明所提出的谐振电路、无线充电发射电路、接收电路及无线充电装置中谐波抑制模块采用LC并联结构，LC并联结构实现了利用电感值很小的电感就能够对三次谐波产生无穷大的阻抗，实现完全消除三次谐波电流，对于三次谐波电流的抑制效果更好，而且LC并联结构对基波的阻抗较小，甚至对基波的阻抗为零，使基波电流可以无衰减通过谐波抑制模块，提高了无线电能传输效率。

附图说明

图1为现有技术提供的基于传统的LC串联抑制电路的谐振电路示意图；

图2为本发明一个实施例提供的谐振电路的示意图；

图3为包括第二电容的谐振电路的示意图；

图4为谐振模块采用LCL拓扑结构时谐振电路的示意图；

图5为谐振模块采用LCC拓扑结构时谐振电路的示意图；

图6为逆变电路为全桥逆变电路时无线充电发射电路的示意图；

图7为整流电路为全桥整流电路时无线充电接收电路的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

在一个实施例中，如图2所示，本发明提供一种谐振电路，该谐振电路包括谐波抑制模块100以及谐振模块200，其中谐波抑制模块100包括第一电感L₁和第一电容C₁，第一电感L₁与第一电容C₁相互并联后串联谐振模块200，且谐波抑制模块100的谐振频率为三次谐波频率，也可说，第一电感L₁与第一电容C₁相互并联，使谐波抑制模块100的谐振频率为三次谐波频率。

具体地，在本实施例中，谐波抑制模块100在三次谐波频率处谐振，三次谐波频率为基波频率的三倍，假设基波频率为f(例如f＝85kHz)，则谐波抑制模块100的谐振频率为3·f，谐波抑制模块100在谐振频率3·f下满足

其中ω为角频率，ω＝2·π·f，因此，对于三次谐波，谐波抑制模块100的阻抗Z_3ω为：

由式(1)可知，由于谐波抑制模块100采用了电感和电容并联补偿方式，对于任意的第一电感L₁和第一电容C₁，在三次谐波处，阻抗均为无穷大，使三次谐波电流减小为0，完全消除三次谐波电流。因此，使用电感值较小的第一电感L₁，就可以实现较好的三次谐波抑制效果。

谐波抑制模块100对于基波的阻抗Z_ω为：

由式(2)可知，谐波抑制模块100对于基波的阻抗为

该阻抗与第一电感L₁的电感值成正比，因此采用电感值很小的谐振电感就能够实现对三次谐波电流的有效抑制的同时，由于第一电感L₁的电感值较小，因此谐波抑制模块100对于基波的阻抗较小，基波电流可以顺利通过谐波抑制模块100。第一电感L₁的电感值和体积都较小，因此节约了所占用的空间，更有利于电路的集成化，同时降低了系统成本。

本实施例所提出的谐振电路中谐波抑制模块采用LC并联结构，LC并联结构实现了利用电感值很小的电感就能够对三次谐波产生无穷大的阻抗，实现完全消除三次谐波电流，而且LC并联结构对基波的阻抗较小，基波电流的衰减较小，因此基波电流可以顺利通过谐波抑制模块。

由于谐波抑制模块100在基波频率处阻抗不为零，会影响系统功率传输，因此需要在基波处对其进行补偿，避免对基波电流的影响。可以采用两种方式对谐波抑制模块100进行补偿，其中一种方式是改变谐振模块200中补偿电感L₂的电感值，使补偿电感L₂的电感值为原电感值与

之差，这样谐波抑制模块100和谐振模块200二者对于基波的总阻抗为零，基波电流无衰减，而谐波抑制模块100对三次谐波的阻抗为无穷大，理论上三次谐波电压产生的三次谐波电流可以衰减到零；另一种方式无需改变谐振模块200中补偿电感L₂的电感值，在谐波抑制模块100中增加一个第二电容C₂，如图3所示，第一电感L₁与第一电容C₁相互并联后连接第二电容C₂一端，第二电容C₂另一端连接谐振模块200，并且令第二电容C₂的电容值为

此时，第二电容C₂的容抗为

谐波抑制模块100对三次谐波的总阻抗为：

谐波抑制模块100对基波的总阻抗为：

由式(3)和式(4)可知，当在谐波抑制模块100中增加一个电容值为

的第二电容C₂并且第二电容C₂与LC并联结构串联时，谐波抑制模块100对于三次谐波的阻抗仍为无穷大，因此仍可以完全消除三次谐波电流，而此时谐波抑制模块100对基波的总阻抗为零，从而实现谐波抑制模块100对基波电流的无衰减通过。通过谐波抑制模块100中增加第二电容C₂，使谐波抑制模块在基波频率处阻抗为0。本实施方式通过在谐波抑制模块100中增加第二电容C₂，无需改变谐振模块200的原有拓扑结构的参数即可实现对三次谐波电流的有效抑制和对基波电流的无衰减通过，结构简单，实用性较强，且不影响系统增益。

本发明谐振电路中的谐振模块200可以采用LCC拓扑结构或者LCL拓扑结构，下面以谐振模块200分别采用LCC拓扑结构和LCL拓扑结构为例对本发明的谐振电路进行说明。

当谐振模块200采用LCL拓扑结构时，如图4所示，谐振电路包括谐波抑制模块100以及谐振模块200，其中谐波抑制模块100包括第一电感L₁、第一电容C₁和第二电容C₂，第一电感L₁与第一电容C₁相互并联后连接第二电容C₂的一端，第二电容C₂另一端连接谐振模块200，并且令第二电容C₂的电容值为

谐振模块200包括第二电感L₂、第三电感L₃以及第三电容C₃，第二电感L₂一端连接第二电容C₂，第二电感L₂另一端分别连接第三电感L₃一端以及第三电容C₃一端，第三电感L₃另一端连接第三电容C₃另一端。在本实施例中，谐波抑制模块串联第二电感L₂后，与第三电容C₃在基波频率处谐振。

当谐振模块200采用LCC拓扑结构时，如图5所示，谐振电路包括谐波抑制模块100以及谐振模块200，其中谐波抑制模块100包括第一电感L₁、第一电容C₁和第二电容C₂，第一电感L₁与第一电容C₁相互并联后连接第二电容C₂的一端，第二电容C₂另一端连接谐振模块200，并且令第二电容C₂的电容值为

谐振模块200包括第二电感L₂、第三电感L₃以及第三电容C₃，还包括第四电容C₄，第二电感L₂一端连接第二电容C₂，第二电感L₂另一端分别连接第四电容C₄一端以及第三电容C₃一端，第四电容C₄另一端连接第三电感L₃一端，第三电感L₃另一端连接第三电容C₃另一端。

在另一个实施例中，本发明提供一种无线充电发射电路，该无线充电发射电路包括逆变电路300和前述实施例所述的谐振电路，逆变电路300连接谐振电路。逆变电路300用于接收直流母线端输出的直流电，并将直流电转换为交流电为谐振电路供电，使发射线圈即第三电感L₃内部产生预设频率的振荡电流，通过发射线圈与接收线圈之间的磁耦合，使接收线圈内产生相应的感应振荡电流，从而最终实现为负载供电。根据一个实施例，逆变电路300可以为半桥逆变电路，也可以为全桥逆变电路。本实施例所提出的无线充电发射电路利用谐波抑制模块100实现对三次谐波阻抗无穷大，理论上可以完全消除三次谐波电流，因此三次谐波电流抑制效果更好，提高了无线电能传输效率。

可选地，本发明中的逆变电路300为全桥逆变电路，全桥逆变电路包括开关管Q1～开关管Q4，其中开关管Q1和开关管Q3构成左桥臂，开关管Q2和开关管Q4构成右桥臂，左桥臂依次通过谐波抑制模块100和谐振模块200与右桥臂连接，对角线上的两个开关管工作状态相同，即同时关断、同时导通。本实施方式中的开关管Q1～开关管Q4可以采用快速晶闸管、可关断晶闸管、功率晶体管、功率场效应晶体管、绝缘栅晶体管(IGBT开关管)等实现。这里仅以开关管Q1～开关管Q4采用IGBT开关管、图5所示谐振电路为例，对本发明的全桥逆变电路的结构进行详细说明，需要说明的是，谐振电路的结构可以采用本发明所公开的所有实施例，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围，具体为：图6为逆变电路为全桥逆变电路时无线充电发射电路的示意图，参照图6，开关管Q1的源极与开关管Q2的源极相连于输入端A，开关管Q3的漏极与开关管Q4的漏极相连于输入端B，开关管Q1的漏极与开关管Q3的源极相连于输出端M，开关管Q2的漏极与开关管Q4的源极相连于输出端N，输出端M依次通过谐波抑制模块100和谐振模块200与输出端N连接，即输出端M与第一电感L₁、第一电容C₁相互并联后的一端连接，输出端N与第三电感L₃连接第三电容C₃的一端连接。本发明采用全桥逆变电路将直流电转换为交流电，全桥逆变电路具有开关管工作电压低的优点，相对于半桥逆变电路而言，全桥逆变电路的开关电流减小了一半，因而非常适用于无线充电发射电路。

在另一个实施例中，本发明提供一种无线充电接收电路，该无线充电接收电路包括整流电路400和前述实施例所述的谐振电路，整流电路400连接谐振电路。无线充电接收电路与无线充电发射电路磁耦合，无线充电接收电路中的谐振电路产生高频感应交流电，整流电路400用于接收高频感应交流电并利用二极管单向导通的特性将高频感应交流电转换为单向的直流电，最终经过滤波后输出至负载。利用整流二极管将交流电转换为直流电的方法有多种，包括半波整流、全波整流以及桥式整流等，因此根据一个实施例，整流电路400可以为半波整流电路、全波整流电路以及桥式整流电路等。本实施例所提出的无线充电接收电路利用谐波抑制模块100实现对电路中三次谐波阻抗无穷大，理论上可以完全消除三次谐波电流，因此三次谐波电流抑制效果更好，进一步提高了无线电能传输效率。

可选地，本发明中的整流电路400为全桥整流电路，全桥整流电路利用具有单向导电性能的整流元件将交流电转换为直流电，其中整流元件可以采用二极管或者其他具有单向导电性能的元件，例如包括二极管的IGBT开关管等。这里仅以整流元件采用二极管、图5所示谐振电路为例，对本发明的全桥整流电路的结构进行详细说明，需要说明的是，谐振电路的结构可以采用本发明所公开的所有实施例，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围，具体为：图7为整流电路为全桥整流电路时无线充电接收电路的示意图，参照图7，全桥整流电路包括二极管D1～二极管D4，二极管D1的正极与二极管D3的负极相连于输入端D，二极管D2的正极与二极管D4的负极相连于输入端C，二极管D1的负极与二极管D2的负极相连于输出端O，二极管D3的正极与二极管D4的正极相连于输出端P，输入端C依次通过谐波抑制模块100和谐振模块200与输入端D连接，即输入端C与第一电感L₁、第一电容C₁相互并联后的一端连接，输入端D与第三电感L₃连接第三电容C₃的一端连接，其中输出端O为正极输出端，输出端P为负极输出端。全桥整流电路具有结构简单、二极管承受反压小以及器件整体体积小等特点，因此被广泛应用于实际的整流电路，本发明采用全桥整流电路将交流电转换为直流电，具有电路结构简单、不易击穿、占用空间小以及实用性强等优点。

在另一个实施例中，本发明还提供一种无线充电装置，该无线充电装置包括无线充电发射电路和与无线充电发射电路磁耦合的无线充电接收电路。本实施例中的无线充电发射电路和无线充电接收电路的具体结构及功能如前述实施例所述，此处不再赘述。本实施例所提出的无线充电装置利用电感值很小的电感就能够对电路中的三次谐波产生无穷大的阻抗，实现完全消除三次谐波电流，具有更好的三次谐波电流抑制效果，从而具有更高的无线电能传输效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种谐振电路，其特征在于，包括谐波抑制模块以及谐振模块，所述谐波抑制模块包括第一电感和第一电容，所述第一电感与所述第一电容相互并联后串联所述谐振模块，且所述谐波抑制模块的谐振频率为三次谐波频率。

2.如权利要求1所述的谐振电路，其特征在于，所述谐波抑制模块还包括第二电容，所述第一电感与所述第一电容相互并联后连接所述第二电容一端，所述第二电容另一端连接所述谐振模块，且所述谐波抑制模块在基波频率处阻抗为0。

3.如权利要求2所述的谐振电路，其特征在于，所述谐振模块包括第二电感、第三电感以及第三电容，所述第二电感一端连接所述第二电容，所述第二电感另一端分别连接所述第三电感一端以及所述第三电容一端，所述第三电感另一端连接所述第三电容另一端；所述谐波抑制模块串联所述第二电感后，与所述第三电容在基波频率处谐振。

4.如权利要求3所述的谐振电路，其特征在于，所述谐振模块还包括第四电容，所述第四电容一端分别连接所述第二电感和所述第三电容，所述第四电容另一端连接所述第三电感。

5.一种无线充电发射电路，其特征在于，包括：

逆变电路；

如权利要求1至4任一项所述的谐振电路；

所述逆变电路连接所述谐振电路。

6.如权利要求5所述的无线充电发射电路，其特征在于，所述逆变电路为全桥逆变电路。

7.一种无线充电接收电路，其特征在于，包括：

整流电路；

如权利要求1至4任一项所述的谐振电路；

所述整流电路连接所述谐振电路。

8.如权利要求7所述的无线充电接收电路，其特征在于，所述整流电路为全桥整流电路。

9.一种无线充电装置，其特征在于，包括：

如权利要求5或6所述的发射电路；

如权利要求7或8所述的接收电路。

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