CN217159552U - 一种基于直接ac-ac的无线电能传输三相变频电路 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种基于AC‑AC的无线电能传输三相变频电路，包括无桥PFC AC‑AC激励模块、无线电能传输模块、单相/三相AC‑AC模块。无桥PFC AC‑AC激励模块用于无线电能传输的原边高频驱动并可调节输出大小；无线电能传输模块，用于无线电能传输并实现原副边电气隔离；单相/三相AC‑AC模块，通过直接AC‑AC变频实现单相交流输入三相交流变频输出；整个电路完成无线电能传输的变压变频三相交流输出。本实用新型的无线电能传输前后级均采用AC‑AC方案实现无线电能传输变频输出功能，提高系统效率且降低成本，电路新颖、可靠、实用。本实用新型可广泛应用于包括电动汽车及轨道交通行业以及其它各类交流电机驱动或其它基于无线电能传输的三相交流应用。

Description

一种基于直接AC-AC的无线电能传输三相变频电路
技术领域
本实用新型涉及无线电能传输技术领域与电力电子技术领域，尤其是涉及一种基于AC-AC的无线电能传输三相变频电路，该三相变频电路利用无线电能传输实现能量传递与输入输出隔离，利用AC-AC实现三相变压变频输出。
背景技术
无线电能传输变频电路可在轨道交通、电动汽车、采矿业、智能家居等领域有极广泛应用。采用AC-AC直接变换可以省去整流环节降低损耗并减少成本，如用于无线电能传输变频电路可提高系统效率并增加无线电能传输技术竞争力。
有人研究了利用高频隔离Z源电路构造了AC/AC变换电路，叶佳卓，陈少林，黄飞，陈希华，“一种新型单相高频隔离Z源AC/AC变换电路”，电力电子技术，2018，52(11)：64-67+87。目前尚未见前后级均采用AC-AC方案构建的无线电能传输三相变频电路的相关报道。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种基于AC-AC的无线电能传输三相变频电路，该三相变频电路能解决无线电能传输技术条件下实现AC-AC的三相变压变频输出的问题，并为基于无线电能传输实现三相变压变频提供一种新的思路。
本实用新型的目的是这样实现的：
一种基于AC-AC的无线电能传输三相变频电路，特征是：包括：
无桥PFC AC-AC激励模块，用于无线电能传输的原边高频驱动并完成功率因数校正(PFC)功能；
无线电能传输模块，用于无线电能传输并实现原边、副边的电气隔离；
单相/三相AC-AC模块，通过AC-AC变频实现单相交流输入、三相交流变频输出；整个电路完成无线电能传输的变压变频三相交流输出。
本实用新型的无桥PFC AC-AC激励模块的输入端为电源，无桥PFC AC-AC 激励模块的输出端与无线电能传输模块的原边输入端相联；单相/三相AC-AC 模块的输入端与无线电能传输模块的副边输出端相联，单相/三相AC-AC模块的输出端即为本实用新型的系统输出，输出可变压变频三相交流。
所述无桥PFC AC-AC激励模块采用无桥Boost PFC全桥拓扑，由电感L1、 L2及双向开关Q1-Q4构成，Q1与Q2构成一个桥臂，交点为M，Q3与Q4构成另一个桥臂，交点为N，MN为无桥PFC AC-AC激励模块的输出端；
所述单相/三相AC-AC模块采用双向开关S1-S6构建的三相全桥电路拓扑，S1与S4、S3与S6、S5与S2分别构成三个桥臂，S1与S4的中点为A、 S3与S6的中点为B、S5与S2的中点为C，点A、B、C为单相/三相AC-AC模块的输出端；S1、S3、S5的公共交点为D，S2、S4、S6的公共交点为E，点 D、E为单相/三相AC-AC模块的输入端。根据实际需求，在点A、B、C的输出端可加装滤波电路，比如LC滤波电路、LCL滤波电路或其它类型滤波电路。
所述单相/三相AC-AC模块，采用单级AC-AC单相/三相变频方案，输入端为单相高频输入，输出端为三相输出。
本实用新型的无线电能传输模块采用串联-并联拓扑，实际使用可为任意适当拓扑，具体依据实际需求选择与设计。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型的无线电能传输前后级均采用AC-AC方案实现无线电能传输变频输出功能，提高系统效率且降低成本，电路新颖、可靠、实用。
本实用新型可广泛应用于包括电动汽车及轨道交通行业以及其它各类交流电机驱动或其它基于无线电能传输的三相交流应用。
附图说明
图1为本实用新型基于AC-AC的无线电能传输三相变频电路拓扑示意图；
图2为无桥PFC AC-AC激励模块电路拓扑图；
图3为无桥PFC AC-AC激励模块在uin为正，uR1电流从上到下(↓)时工作示意图，其中：(a)是uR为正时的无桥PFC AC-AC激励模块各开关状态示意图，(b)是uR为负时的无桥PFCAC-AC激励模块各开关状态示意图；
图4为无桥PFC AC-AC激励模块在uin为正，uR1电流从下到上(↑)时工作示意图，其中：(a)是uR为正时的无桥PFC AC-AC激励模块各开关状态示意图，(b)是uR为负时的无桥PFCAC-AC激励模块各开关状态示意图；
图5无桥PFC AC-AC激励模块在为uin为负，uR1电流从上到下(↓)时工作示意图，其中：(a)是uR为正时的无桥PFC AC-AC激励模块各开关状态示意图，(b)是uR为负时的无桥PFCAC-AC激励模块各开关状态示意图；
图6无桥PFC AC-AC激励模块在为uin为负，uR1电流从下到上(↑)时工作示意图，其中：(a)是uR为正时的无桥PFC AC-AC激励模块各开关状态示意图，(b)是uR为负时的无桥PFCAC-AC激励模块各开关状态示意图；
图7为单相/三相AC-AC模块的电路拓扑；
图8为ωt∈(0,π/3)时单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图，其中：(a) 是uR为正时的单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图，(b)是uR为负时的单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图；
图9为ωt∈(π/3,2π/3)时单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图，其中：(a)是uR为正时的单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图，(b)是uR为负时的单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图；
图10为ωt∈(2π/3,π)时单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图，其中： (a)是uR为正时的单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图，(b)是uR为负时的单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图；
图11为ωt∈(π,4π/3)时单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图，其中： (a)是uR为正时的单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图，(b)是uR为负时的单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图；
图12为ωt∈(4π/3,5π/3)时单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图，其中：(a)是uR为正时的单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图，(b)是uR为负时的单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图；
图13为ωt∈(5π/3,2π)时单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图，其中：(a)是uR为正时的单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图，(b)是uR为负时的单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图；
图14是单相/三相AC-AC模块加装LC滤波电路拓扑图；
图15为基于AC-AC的无线电能传输三相变频电路一个实用电路；
图16为三相电压波形的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例并对照附图对本实用新型作进一步详细说明。
图1为本实用新型基于AC-AC的无线电能传输三相变频电路拓扑示意图；
本实用新型包括无桥PFC AC-AC激励模块、无线电能传输模块、单相/三相AC-AC变频模块三个模块，其中：
无桥PFC AC-AC激励模块，用于无线电能传输的原边高频驱动并完成功率因数校正(PFC)功能；
无线电能传输模块，用于无线电能传输并实现原边、副边的电气隔离；
单相/三相AC-AC模块，通过AC-AC变频实现单相交流输入、三相交流变频输出；整个电路完成无线电能传输的变压变频三相交流输出。
所述无桥PFC AC-AC激励模块的输入端为电源，无桥PFC AC-AC激励模块的输出端与无线电能传输模块的原边输入端相联；单相/三相AC-AC模块的输入端与无线电能传输模块的副边输出端相联，单相/三相AC-AC模块的输出端即为本实用新型的系统输出，输出可变压变频三相交流。
所述无桥PFC AC-AC激励模块采用无桥BoostPFC全桥拓扑，所述单相/三相AC-AC变频模块采用三相全桥拓扑。
图2为无桥PFC AC-AC激励模块电路拓扑图；
所述无桥PFC AC-AC激励模块实现对无线电能传输模块的激励功能，采用无桥Boost PFC全桥拓扑，由电感L1、L2及双向开关Q1-Q4构成，Q1与Q2 构成一个桥臂，交点为M，Q3与Q4构成另一个桥臂，交点为N，MN为无桥PFC AC-AC激励模块的输出端，电感L1、L2可以是独立电感也可以是集成电感；通过合适的控制，实现功率因数校正(PFC)及直接AC-AC变换功能。图4-图7为无桥PFC AC-AC激励模块各类工况示意图。
图3为无桥PFC AC-AC激励模块在uin为正，uR1电流从上到下(↓)时工作示意图，其中：(a)是uR为正时的无桥PFC AC-AC激励模块各开关状态示意图，(b)是uR为负时的无桥PFCAC-AC激励模块各开关状态示意图；
图3-(a)为uin为正，Q1、Q2闭合，L1、L2正向充电；图3-(b)为uin为正，Q1、Q4闭合，L1、L2续流放电，uR1电流从上到下(↓)。
图4为无桥PFC AC-AC激励模块在uin为正，uR1电流从下到上(↑)时工作示意图，其中：(a)是uR为正时的无桥PFC AC-AC激励模块各开关状态示意图，(b)是uR为负时的无桥PFCAC-AC激励模块各开关状态示意图；
图4-(a)为uin为正，Q3、Q4闭合，L1、L2正向充电；图4-(b)为uin为正，Q2、Q3闭合，L1、L2正向续流放电，uR1电流从下到上(↑)。
图5无桥PFC AC-AC激励模块在为uin为负，uR1电流从上到下(↓)时工作示意图，其中：(a)是uR为正时的无桥PFC AC-AC激励模块各开关状态示意图，(b)是uR为负时的无桥PFCAC-AC激励模块各开关状态示意图；
图5-(a)为uin为负，Q1、Q2闭合，L1、L2反向充电；图5-(b)为uin为负，Q2、Q3闭合，L1、L2反向续流放电，uR1电流从上到下(↓)。
图6无桥PFC AC-AC激励模块在为uin为负，uR1电流从下到上(↑)时工作示意图，其中：(a)是uR为正时的无桥PFC AC-AC激励模块各开关状态示意图，(b)是uR为负时的无桥PFCAC-AC激励模块各开关状态示意图；
图6-(a)为uin为负，Q3、Q4闭合，L1、L2反向充电；图6-(b)为uin为负，Q2、Q3闭合，L1、L2反向续流放电；uR1电流从下到上(↑)。
通过控制无桥PFC AC-AC激励模块的各类工况切换实现功率因数校正及直接AC-AC变换，进行无线电能传输模块的原边激励。
图7是所述单相/三相AC-AC模块的主电路拓扑。
所述单相/三相AC-AC模块采用双向开关S1-S6构建的三相全桥电路拓扑，S1与S4、S3与S6、S5与S2分别构成三个桥臂，S1与S4的中点为A、 S3与S6的中点为B、S5与S2的中点为C，点A、B、C为单相/三相AC-AC模块的输出端；S1、S3、S5的公共交点为D，S2、S4、S6的公共交点为E，点 D、E为单相/三相AC-AC模块的输入端。根据实际需求，在点A、B、C的输出端可加装滤波电路，比如LC滤波电路、LCL滤波电路或其它类型滤波电路。
正常工况下双向开关S1-S6开关状态如表1所示，表中，“0”表示关断，“0/1”表示可能导通，导通与否依据正弦波拟合控制算法。
表1正常工况下S1-S6开关状态/方案1
Figure BDA0003574620390000041
Figure BDA0003574620390000051
通过控制双向开关S1-S6实现单相/三相AC-AC变换正弦波形拟合，并通过控制周期时间实现变频输出。
图8为ωt∈(0,π/3)时单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图，其中：(a) 是uR为正时的单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图，(b)是uR为负时的单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图；
ωt∈(0，π/3)时，uA为正，uB为负，uC为正：图8-(a)中，uR为正时，S2、 S3、S4关断，S1、S5、S6导通与否依据正弦波拟合控制算法；图8-(b)中，uR为负，ωt∈(0，π/3)时，uA为正，uB为负，uC为正，S1、S5、S6关断，S2、 S3、S4导通与否依据正弦波拟合控制算法。
图9为ωt∈(π/3,2π/3)时单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图，其中：(a)是uR为正时的单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图，(b)是uR为负时的单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图；
ωt∈(π/3,2π/3)时，uA为正，uB为负，uC为负：图9-(a)中，uR为正时， S3、S4、S5关断，S1、S2、S6导通与否依据正弦波拟合控制算法；图9-(b) 中，uR为负时，S1、S2、S6关断，S3、S4、S5导通与否依据正弦波拟合控制算法。
图10为ωt∈(2π/3,π)时单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图，其中： (a)是uR为正时的单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图，(b)是uR为负时的单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图；
ωt∈(2π/3,π)时，uA为正，uB为正，uC为负：图10-(a)中，uR为正时， S4、S5、S6关断，S1、S2、S3导通与否依据正弦波拟合控制算法；图10-(b) 中，uR为负时，S1、S2、S3关断，S4、S5、S6导通与否依据正弦波拟合控制算法。
图11为ωt∈(π,4π/3)时单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图，其中：(a)是uR为正时的单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图，(b)是uR为负时的单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图；
ωt∈(π,4π/3)时，uA为负，uB为正，uC为负：图11-(a)中，uR为正时， S1、S5、S6关断，S2、S3、S4导通与否依据正弦波拟合控制算法；图11-(b) 中，uR为负时，S2、S3、S4关断，S1、S5、S6导通与否依据正弦波拟合控制算法。
图12为ωt∈(4π/3,5π/3)时单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图，其中：(a)是uR为正时的单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图，(b)是uR为负时的单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图；
ωt∈(4π/3,5π/3)时，uA为负，uB为正，uC为正：图12-(a)中，uR为正时， S1、S2、S6关断，S3、S4、S5导通与否依据正弦波拟合控制算法；图12-(b) 中，uR为负时，S3、S4、S5关断，S1、S2、S6导通与否依据正弦波拟合控制算法。
图13为ωt∈(5π/3,2π)时单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图，其中：(a)是uR为正时的单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图，(b)是uR为负时的单相/三相AC-AC模块各开关状态示意图；
ωt∈(5π/3,2π)时，uA为负，uB为负，uC为正：图13-(a)中，当uR为正时，S1、S2、S3关断，S4、S5、S6导通与否依据正弦波拟合控制算法；图 13-(b)中，uR为负时，S4、S5、S6关断，S1、S2、S3导通与否依据正弦波拟合控制算法。
图14是单相/三相AC-AC模块加装LC滤波电路拓扑图。
根据实际需求，单相/三相AC-AC模块在ABC输出端可加装滤波电路，比如LC滤波电路、LCL滤波电路或其它类型滤波电路。图9为单相/三相AC-AC 模块加装LC滤波电路拓扑，ABC为滤波电路的输入端，UVW为滤波电路的输出端，根据实际需求L1、L2、L3可以是独立电感也可以是集成电感。
图15为基于AC-AC的无线电能传输三相变频电路一个实用电路。
实际应用中，无桥PFC AC-AC激励模块用于无线电能传输的原边高频驱动，无桥PFC AC-AC激励模块可灵活设计，此处给出一个电路但实现应用中不受限于某种特定的拓扑方案或控制方案。专业人员均可进行相关设计，此处不再详述。
无线电能传输模块，图中所示为串联-并联拓扑，实际使用可为任意合适的拓扑，具体选择依据实际需求。
双向开关Q1-Q4及S1-S6均为双向电力电子开关，均由两个相同的金属- 氧化物半导体场效应晶体管MOSFET反向串联而成，即上管的源极与下管的漏极相联，上管的漏极与下管的源极为主电流端口且上下两管的栅级驱动控制分开。本实用新型中的双向开关不仅可以是由金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET反向串联而成，还可以由两个反向阻断绝缘栅双极型晶体管RB- IGBT(无反并联二极管)反向并联而成，进一步，可以是任意能够完成交流开关任务的电力电子器件构成。
图16为三相电压波形的示意图。
为便于查看，给出三相电压波形，图16的波形相位与表1相对应。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种基于直接AC-AC的无线电能传输三相变频电路，其特征在于：包括无桥PFC AC-AC激励模块、无线电能传输模块、单相/三相AC-AC模块，无桥PFC AC-AC激励模块的输入端为电源，输出端与无线电能传输模块的原边输入端相联；单相/三相AC-AC模块输入端与无线电能传输模块的输出端相联，单相/三相AC-AC模块的输出端即为系统输出，输出可变压变频三相交流。
2.根据权利要求1所述的基于直接AC-AC的无线电能传输三相变频电路，其特征在于：无桥PFC AC-AC激励模块用于无线电能传输的原边高频驱动并可调节输出大小；无线电能传输模块，用于无线电能传输并实现原副边电气隔离；单相/三相AC-AC模块，通过直接AC-AC变频实现单相交流输入三相交流变频输出；整个电路完成无线电能传输的变压变频三相交流输出。
3.根据权利要求1所述的基于直接AC-AC的无线电能传输三相变频电路，其特征在于：所述无桥PFC AC-AC激励模块采用无桥Boost PFC全桥拓扑，由电感L1、L2及双向开关Q1-Q4构成，Q1与Q2构成一个桥臂，交点为M，Q3与Q4构成另一个桥臂，交点为N，MN为无桥PFC AC-AC激励模块的输出端，电感L1、L2是独立电感或集成电感。
4.根据权利要求1所述的基于直接AC-AC的无线电能传输三相变频电路，其特征在于：所述单相/三相AC-AC模块采用双向开关S1-S6构建的三相全桥电路拓扑，S1与S4、S3与S6、S5与S2分别构成三个桥臂，S1与S4的中点A、S3与S6的中点B、S5与S2的中点C，ABC为单相/三相AC-AC模块的输出端；S1、S3、S5的公共交点为D，S2、S4、S6的公共交点为E，DE为单相/三相AC-AC模块的输入端。
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