TW201737609A - 無線電能傳輸及相關領域系統諧振頻率的動態監測及補償技術 - Google Patents

無線電能傳輸及相關領域系統諧振頻率的動態監測及補償技術 Download PDF

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Abstract

一種“開關模式DC-AC(直流-交流)變換器驅動下的振蕩系統”的控制方法。該方法可使上述系統始終同時工作在“方波驅動，軟開關及諧振”狀態下，從而極大地提高系統的效率和能量傳輸能力。該方法主要由四大技術組成，即：(1)通過檢測系統的門驅動信號與主振蕩的過零點信號的相位差來檢測系統驅動頻率與自身固有諧振頻率之差，並最終確定系統自身固有諧振頻率的技術；(2)一種壓控軟開關可變電容技術；(3)一種避免系統頻率分叉的技術；(4)一種用一個電壓來控制單穩觸發器輸出脈沖寬度的技術。

Description

無線電能傳輸及相關領域系統諧振頻率的動態監測及補償技術
本發明主要是關於利用“鎖相環”和“壓控軟開關可變電容”技術，對開關模式DC-AC變換器驅動下的振蕩系統(比如說無線電能傳輸系統，開關電源系統等等)的諧振頻率，進行動態監測和補償的技術。該技術可以使上述系統始終工作在“方波驅動，軟開關及諧振”的狀態下，從而使系統的效率和能量傳輸能力得到極大地提高。另外本發明所提出的“壓控軟開關可變電容”除了可以用來對系統的諧振頻率進行動態補償，使系統的諧振頻率保持固定不變，還可以通過其調諧作用來調整或穩定系統的輸出電壓或功率。
無。先前沒有能使“開關模式DC-AC變換器驅動下的振蕩系統”始終同時工作在“方波驅動，軟開關以及諧振”狀態下三個條件的技術。傳統的檢測系統主振蕩的過零點信號，然後再反饋回來作為系統開關的門驅動信號的方法，只能做到“方波驅動和准諧振”，而不能做到軟開關。因為“檢測反饋回路”存在延時，從而導致把反饋信號作為系統的門驅動信號時，實際系統開關的導通和斷開不可能是在系統主振蕩的過零點發生，而是有一 個延時。這就使得系統實際上不可能準確地工作在軟開關狀態。這個問題會隨著系統頻率的提高而變得越來越嚴重。本專利中所提出的方法，是通過鎖相環技術直接比較系統開關門驅動信號與主振蕩過零點信號之間的相位差，從理論上來說，可以使這個相位差為零，不存在任何固定的延時(因此會有一個固定的相位差)的問題，從而可以精確地做到軟開關。另外，傳統的自起振推挽式變換器(autonomous push pull converter)可以近似地看作是工作在“軟開關和諧振”狀態下，但不是“方波驅動”。這是傳統自起振推挽式變換器的致命缺點。再有，也可以采用一些局部軟開關技術，以犧牲系統的諧振為代價，使系統有條件地工作在“方波驅動和軟開關”狀態，但這種系統往往不是諧振系統，所能做到的軟開關範圍及其有限，系統參數設計複雜。總之，傳統的方法一般只能同時實現上述三個目標中的兩個，而能使上述三個目標准確地同時實現的技術，本專利所提出的方法應該是第一個。
通過實時監測“開關模式DC-AC變換器驅動下的振蕩系統”的自身固有諧振頻率，使系統的驅動頻率與自身固有諧振頻率一致，從而實現使系統始終同時工作在“方波驅動，軟開關以及諧振”狀態下這三個目標，使系統的效率和能量傳輸能力得到極大地提高。
一個無線電能傳輸系統，從某種角度來說，可以說是一個振蕩系統。能量通過振蕩來傳輸。沒有振蕩，就沒有能量的傳輸。要想把能量傳好，首先就要讓系統振好。而要讓系統振好，首先就要知道系統的固有頻率(或諧振頻率)。好比一個單擺，要想讓它振好，首先就需要知道單擺的固 有頻率，使其驅動頻率與固有頻率一致，從而達到共振的效果。與單擺類似，一個無線電能傳輸系統也有一個自己本身所固有的共振(或諧振)頻率。但與單擺不同的是，無線電能傳輸系統的固有或諧振頻率不是固定不變，而是隨著系統中許多參數的變化而變化的，比如說原副邊線圈的耦合係數，負載以及電路中各種參數的變化等等。甚至電路工作溫度的變化都會對系統的固有頻率產生一定程度的影響。而無線電能傳輸系統的頻率，是無線電能傳輸系統中最為重要最為關鍵的一個核心參數。該參數影響著系統一切最重要的方面，比如說諧振，軟開關，效率，能量傳輸能力等等。可以說，對於無線電能傳輸系統來說“頻率是個綱，綱舉目張”。控制了系統的頻率，就控制了系統中上述所有的一切最重要的方面。而要對系統的頻率進行靈活有效的控制，首先就需要知道系統自身的固有諧振頻率。
另外，無線電能傳輸系統一般都是由開關模式的DC-AC變換器驅動的。從某種角度來說，一個無線電能傳輸系統，就是一個開關模式DC-AC變換器驅動下的振蕩系統。而對於“開關模式的DC-AC變換器”來說，“方波驅動和軟開關”對於提高變換器的效率至關重要，尤其是在高頻和大功率的情況下，能否做到軟開關甚至是關系到變換器能否正常工作的一個關鍵。不僅如此，對於開關模式DC-AC變換器驅動下的振蕩系統來說，變換器能否做到軟開關與系統是否是工作在諧振狀態密切相關。
綜上所述，對於一個開關模式的DC-AC變換器驅動下的振蕩系統(比如說無線電能傳輸系統)來說，能夠同時做到“方波驅動，軟開關和諧振”，對於提高系統的效率和能量傳輸能力，至關重要。而能夠同時做到上述三點的關鍵就在於，能否讓系統的驅動頻率和系統的自身固有或諧振頻率保持一致。本專利提出了一系列“利用鎖相環技術”和“壓控軟開關可變 電容”來動態實時監測和補償系統的自身固有頻率，使系統的驅動頻率與系統的自身固有頻率始終保持一致，從而確保系統始終同時工作在上述三個條件下的方法。這些方法的具體技術細節詳見“實施方式”部分的描述。
本發明通過利用鎖相環技術，探測系統門驅動信號與系統主振蕩過零點信號的相位差，來發現系統驅動頻率與自身固有諧振頻率的差別，並最終將該誤差變成一個電壓信號的形式。當利用該誤差電壓信號控制一個“壓控振蕩器”的輸出頻率，並利用該頻率作為系統的驅動頻率時，可以形成一個系統的驅動頻率不斷跟蹤系統自身可能是不斷變化的固有諧振頻率的變頻系統。當利用該誤差電壓信號來控制一個“壓控可變電容”並利用該壓控可變電容的變化來實時補償系統自身固有諧振頻率的變化使其保持不變時，可以形成一個定頻系統。另外，本專利所提出的“壓控軟開關可變電容”也可以通過其調諧作用，單獨用來調整或穩定系統的輸出電壓。
可以使“開關模式DC-AC變換器驅動下的振蕩系統”始終同時工作在“方波驅動，軟開關以及諧振”的狀態下，從而使系統的效率和能量傳輸能力得到極大地提高。
DC‧‧‧直流(Direct Current)
AC‧‧‧交流(Alternating Current)
WPT‧‧‧無線電能傳輸(Wireless Power Transfer)
VCSC‧‧‧壓控軟開關可變電容(Voltage Controlled Soft-switching Capacitor)
1‧‧‧使用鑒相器1來檢測系統自身固有諧振頻率的一般電路原理圖
2、11、38、70、72‧‧‧除自起振推挽式變換器(autonomous push pull converter)之外的任何開關模式的DC-AC變換器或逆變器
3、12、41、69、71‧‧‧共振槽(Resonant tank)
4、13、22、28、45‧‧‧共振槽中的主振蕩(諧振電壓或電流)過零點檢測電路，輸出為一方波，其上升和下降沿代表主振蕩的過零點時刻
5‧‧‧鑒相器1。該類型鑒相器的特點是，環路進入鎖定狀態時，其兩個輸入信號的相位差為零，反之(環路未進入鎖定狀態時)，該相位差不為零
6‧‧‧控制器1。由鑒相器1和其後的低通濾波器組成，輸出為一電壓
7、15‧‧‧低通濾波器
8、18‧‧‧壓控振蕩器(Voltage Controlled Oscillator)
9、19‧‧‧由壓控振蕩器輸出的系統的門驅動信號
10‧‧‧使用鑒相器2來檢測系統自身固有諧振頻率的一般電路原理圖
14‧‧‧鑒相器2。該類型的鑒相器，環路進入鎖定狀態時，其兩個輸入信號的相位差不為零(但頻率相等)
16‧‧‧控制器2。由鑒相器2與其後的低通濾波器和比例積分控制器組成，輸出為一電壓
17‧‧‧比例積分控制器
20‧‧‧壓控軟開關可變電容(VCSC)的一般電路結構
21、27、52、59‧‧‧諧振電壓信號
23‧‧‧22中的電壓過零點檢測電路的輸出信號
24、31、34、47、57、64‧‧‧單穩觸發器
25、39、43、65‧‧‧開關(switch)
26、40、42、51、66‧‧‧電容
29‧‧‧25的門驅動信號
30、35‧‧‧一種為壓控軟開關可變電容(VCSC)產生控制信號的方法的電路原理圖
32‧‧‧調整單穩觸發器31(或34)輸出脈沖寬度的控制電壓
33‧‧‧單穩觸發器31(或34)的輸入或觸發信號
36‧‧‧單穩觸發器31(或34)的外接電容
37‧‧‧使用VCSC以及控制器1或2來構成一個定頻諧振系統的一般電路原理圖
44、48‧‧‧門驅動電路或芯片
46‧‧‧同6或16
49‧‧‧系統的固定頻率門驅動信號
50‧‧‧把VCSC用於一個無線電能傳輸系統的二次側通過並聯調諧來穩定系統輸出電壓的電路原理圖
53、60‧‧‧系統的輸出電壓
54、61‧‧‧比例積分控制器的參考電壓
55、62‧‧‧比例積分控制器
56、63‧‧‧比較器
58‧‧‧把VCSC用於一個無線電能傳輸系統的二次側通過串聯調諧來穩定系統輸出電壓的電路原理圖
67‧‧‧利用模塊化的多原邊電路共同驅動二次側電路來實現大功率傳輸的策略的一般電路原理圖(不同的變換器有自己的共振槽)
68‧‧‧利用模塊化的多原邊電路共同驅動二次側電路來實現大功率傳輸的策略的一般電路原理圖(不同的變換器共享同一個共振槽)
圖1.表示使用鑒相器1來檢測系統自身固有諧振頻率的一般電路原理圖。
圖2.表示使用鑒相器2來檢測系統自身固有諧振頻率的一般電路原理圖。
圖3.表示壓控軟開關可變電容(VCSC)的一般電路結構。
圖4.表示壓控軟開關可變電容(VCSC)關鍵信號的仿真曲線。
圖5.表示一種為壓控軟開關可變電容(VCSC)產生控制信號的方法的電路原理圖。
圖6.表示使用VCSC以及控制器1或2來構成一個定頻諧振系統的一般電路原理圖。
圖7.表示把VCSC用於一個無線電能傳輸系統的二次側通過並聯調諧來穩定系統輸出電壓的電路原理圖。
圖8.表示把VCSC用於一個無線電能傳輸系統的二次側通過串聯調諧來穩定系統輸出電壓的電路原理圖。
圖9.表示利用模塊化的多原邊電路共同驅動二次側電路來實現大功率傳輸的策略的一般電路原理圖。
該部分共分為三個小節：1)系統諧振頻率的動態監測技術；2)系統諧振頻率的補償方法；3)多原邊大功率無線電能傳輸系統。
1.系統諧振頻率的動態監測技術 1.1 引言
本專利通過利用鎖相環技術，對無線電能傳輸及相關系統的門驅動信號9及所檢測到的系統主振蕩(共振槽中的電壓或電流)的過零點信號4(電壓過零點或電流過零點)的相位進行比較，來檢測系統的驅動頻率與諧振頻率之差，從而最終確定系統的諧振頻率。所檢測到的系統驅動頻率 與諧振頻率之差反應為一個電壓信號。當這個電壓信號用來改變一個壓控振蕩器(VCO)8的頻率，並用該頻率作為系統的驅動頻率9時，可構成一個變頻系統1或10。反之，當這個電壓信號用來改變“壓控軟開關可變電容20”的平均電容大小來對系統的諧振頻率進行補償時，可構成一個定頻系統37。需要強調的是，本專利的方法並不是對系統的驅動頻率和系統的諧振頻率直接進行比較，而是通過對系統的門驅動信號9和所檢測到的主振蕩的過零點信號4的相位進行比較來檢測系統的驅動頻率和諧振頻率之差，從而最終找到並確定系統的諧振頻率。這是因為，在受迫振動的情況下，系統門驅動信號9的頻率與所檢測到的主振蕩的頻率4實際上相等，因此對這兩個頻率進行比較毫無意義。但當系統的驅動頻率與系統的諧振頻率不一致時，門驅動信號9與所檢測到的系統的主振蕩的過零點信號4之間的相位會不一致。通過對這兩個信號的相位差進行檢測和比較，就能發現系統的驅動頻率與諧振頻率之間的差別。然後再通過改變系統的驅動頻率或對系統的諧振頻率進行補償，使這個相位差為零，就可以使系統的驅動頻率等於系統的諧振頻率。這時系統的驅動頻率就是系統的諧振頻率，而系統的驅動頻率是已知或直接可測的，因此知道了這個時候系統的驅動頻率也就知道了同一時刻系統的諧振頻率。這就是檢測系統諧振頻率的基本原理。
根據鎖相環進入鎖定狀態後，其兩個輸入信號之間的相位差是否為零，本專利把所用到的鑒相器分為兩種：鑒相器1(5)和鑒相器2(14)。鑒相器1鎖定後其兩個輸入信號的相位差為零，而鑒相器2鎖定後其兩個輸入信號的相位差不為零。需要注意的是，本專利中所介紹的方法適用於除“推挽式自起振逆變器(autonomous push pull converter)”之外的所有的開關模式DC-AC變換器。
1.2 鑒相器1(鎖定狀態下相位差為零)
由鑒相器1(5)構成的系統自身固有諧振頻率的監測方法如圖1所示。其中虛線框中的電路在本專利中定義為“控制器1(6)”。該方法通過利用“鑒相器1(5)”對系統的門驅動信號9和所檢測到的系統主振蕩的過零點信號4(電壓過零點或電流過零點)的相位差進行比較，來發現系統的驅動頻率與諧振頻率之差。然後通過改變壓控振蕩器8的輸出頻率來對系統的驅動頻率9進行調整，使之與系統的諧振頻率一致或相等。當系統的驅動頻率9與系統的諧振頻率一致或相等時，鑒相器1(5)的兩個輸入信號的相位差為零，反之，該相位差就不為零。當該相位差不為零時，控制器1(6)的輸出電壓就不斷變化，改變壓控振蕩器8的輸出頻率9，直到該頻率與系統的諧振頻率相等為止。此時，系統工作於“方波驅動，軟開關和諧振”的狀態下或称系統的工作同時滿足上述三個條件。
1.3 鑒相器2(鎖定狀態下相位差不為零)
由鑒相器2(14)構成的系統自身固有諧振頻率的監測方法如圖2所示。其中虛線框中的電路在本專利中定義為“控制器2(16)”。從圖2可以看出，該方法與利用鑒相器1(5)的方法的唯一區別就是在低通濾波器15後面添加了一個“比例積分控制器17”，這是因為在鎖定狀態下鑒相器2(16)自身不能保證其兩個輸入信號的相位差為零。為了解決這個問題，在低通濾波器後面添加一個比例積分控制器17，並使該控制器的參考電壓等於當鑒相器2(14)的兩個輸入信號的相位差為零(或為壹固定值比如說180°並且使得此時系統的DC-AC變換器處于軟開關狀態)時低通濾波器15的輸出電壓。這樣，當鑒相器2(14)的兩個輸入信號的相位差不為零(或不為 預先設定的固定值)時，低通濾波器15的輸出電壓就不等於比例積分控制器的參考電壓，從而就會導致比例積分控制器17的輸出電壓不斷變化，改變壓控振蕩器18的輸出頻率(即系統的驅動頻率)19，直到系統的驅動頻率19與諧振頻率最終相等。當系統的驅動頻率19與諧振頻率相等時，鑒相器2(14)的兩個輸入信號的相位差為零(或為壹固定值比如說180°並且使得此時系統的DC-AC變換器處于軟開關狀態)，低通濾波器15的輸出電壓等於比例積分控制器的參考電壓，比例積分控制器17的輸出電壓停止變化，此時壓控振蕩器18的輸出頻率19等於系統的諧振頻率。上述過程的最終目的是確保使用鑒相器2(14)時的情況與使用鑒相器1(5)時的情況一樣，即當環路進入鎖定狀態後，鑒相器的兩個輸入信號的相位差為零(或為壹固定值比如說180°並且使得此時系統的DC-AC變換器處于軟開關狀態)。該相位差為零(或為壹固定值比如說180°並且使得此時系統的DC-AC變換器處于軟開關狀態)就意味著系統的驅動頻率與諧振頻率相等，反之，該相位差不為零(或不為預先設定的固定值)就意味著系統的驅動頻率與諧振頻率不相等。該相位差是否為零(或是否為預先設定的固定值)是判斷系統的驅動頻率與諧振頻率是否相等的一個重要標志。
1.4 一種避免頻率分叉的技術
上述兩種方法(1.2和1.3節中所介紹的方法)所構成的都是變頻系統。而變頻系統的一個問題就是頻率分叉(bifurcation)現象。這是因為對於高階系統來說，可能存在著很多不同的諧振頻率。在一定條件下，系統可能從一個諧振頻率跳到另一個諧振頻率。但不同的諧振頻率之間的差別一般較大。比如說一個諧振頻率可能是幾百千赫，而另一個諧振頻率可能會在幾個兆赫。根據頻率分叉現象的這一特點，可以通過某種方法，比如說通過 为壓控振蕩器8或18設計合適的外接電阻電容，或通過使用電阻分壓等方法減小壓控振蕩器8或18的輸入控制電壓的變化範圍等等，把壓控振蕩器8或18的輸出頻率限定在系統正常工作(比如說幾百千赫)的範圍內，從而有效地避免系統頻率分叉現象的產生。
2.系統諧振頻率的補償技術 2.1 壓控軟開關可變電容(VCSC)的基本結構和工作原理
上面所介紹的通過調整系統的驅動頻率來跟蹤不斷變化的系統的諧振頻率的方法，最終所構成的都是變頻系統。而在很多情況下，人們都希望系統的頻率固定不變。要構成一個定頻系統同時還希望系統的驅動頻率與諧振頻率保持一致從而使系統始終工作在“方波驅動，軟開關以及諧振”的狀態下，就需要有一種對系統的諧振頻率進行實時動態補償的方法。本專利提出一種新型的“壓控軟開關可變電容20”來實現這一目的。該“壓控軟開關可變電容20”的基本結構如圖3所示。需要注意的是，根據電路應用所需要的具體情況，圖3中的電容26和開關25也可能是並聯結構(65，66)。本發明的關鍵不在於電路的具體結構，而在於如何對電路中的開關25進行控制使其實現軟開關。具體做法是，控制開關在電壓VResonant 21為零時閉合，在電壓VResonant 21不為零時斷開，通過控制開關25閉合(或電容26接入電路)時間的長短來控制平均電容的大小。這樣做是因為如果控制開關25在VResonant 21不為零時突然閉合，等於讓電路在該時刻突然短路接地，對電路的影響極大，主振蕩VResonant 21的波形會發生嚴重畸變。但讓開關25在VResonant 21不為零時突然斷開，則對電路的影響不大。如果開關的斷開動作完成的足夠快，可以近似地認為是軟開關。而開關25的閉合動作是在VResonant 21為零的時候發生的，是標准的軟開關。該壓控軟開關可變電容(VCSC)20的關鍵控制 信號如圖4所示。從其中開關25的門驅動信號29可以看出，開關在VResonant 27為零時閉合，在電壓VResonant 27不為零時斷開。
2.2 VCSC控制信號的產生方法
圖3中開關25的控制信號VGate可以由一個單穩觸發24來產生，具體方法如圖5所示(其中示出了兩種不同的方法，30和35)。該單穩觸發器31(或34)的觸發信號Vinput 33就是電壓VResonant 21的過零點信號Vzvs 23.而單穩觸發器31(或34)輸出脈沖Voutput的寬度可以由控制電壓Vctr 32來控制。這是因為Vctr 32會對單穩觸發器外接電容CEXT 36的充放電過程產生影響。需要指出的是，本領域的專業技術人員可以很容易地在本發明的基本控制思想的基礎上，找出各種產生“壓控軟開關可變電容(VCSC)”控制信號的方法，比如說使用單片機，DSP或其它嵌入式系統等等，而不脫離本發明的範圍和精神。申請人無意把該發明以任何方式限制為本文件中所描述的各種具體細節。
2.3 VCSC在無線電能傳輸系統原邊的應用-補償系統諧振頻率
利用上一節所介紹的壓控軟開關可變電容(VCSC)20以及1.2或1.3節所介紹的控制器1(6)或控制器2(16)，可以構成一個如圖6所示的定頻系統。與1.2和1.3節中的圖1和圖2所示的情況不同，圖6中“控制器1或2(46)”的輸出電壓不是用來改變壓控振蕩器8(或18)的輸出頻率，而是用來改變單穩觸發器47輸出脈沖的寬度，從而改變軟開關電容C1(40)和C2(42)接入電路中的時間的長短。系統自身固有頻率的變化，通過C1和C2接入電路中時間的長短得到了補償，保持不變，即始終等於系 統固定的驅動頻率，從而形成了一個定頻系統。圖6中“控制器1或2(46)”的工作原理與1.2和1.3節的情況相同。
2.4 VCSC在無線電能傳輸系統副邊的應用-調整穩定輸出電壓
除了用在無線電能傳輸系統的原邊，對系統的諧振頻率進行補償從而形成一個定頻系統37之外，VCSC 20也可以單獨用在無線電能傳輸系統(或者任何類似的系統，比如說DC-DC變換器，開關電源等等)的副邊，通過調諧作用來控制，調整或穩定系統的輸出電壓。2.4.1和2.4.2節分別介紹VCSC 20作為並聯和串聯諧振電容來調整穩定系統輸出電壓的情況。需要指出的是，本領域的專業技術人員可以很容易地在本發明的基礎上找出各種變體，而不脫離本發明的範圍和精神，比如說用全橋代替半橋整流，通過調整其中比例積分控制器55(或62)的參考電壓來調整輸出電壓的大小等等。申請人無意把該發明以任何方式限制為本文件中所描述的各種具體細節。
2.4.1 並聯方式
VCSC作為並聯諧振電容來穩定系統輸出電壓的情況如圖7所示。其中VCSC的控制電壓Vctr由一個比例積分控制器55產生。該控制器根據輸出電壓Vout 53的波動來改變控制電壓Vctr的大小，從而改變單穩觸發器57輸出脈沖的寬度以及電容C 51接入電路時間的長短，最終通過電容C 51的調諧作用穩定系統的輸出電壓Vout 53.通過對比例積分控制器55參考電壓的調整可以得到不同的輸出電壓等級，從而構成一個輸出電壓可調的系統。圖7中的比較器U1(56)所檢測到的諧振電壓v res 52的過零點信號Vzvs作為單穩觸發器57的觸發信號。
2.4.2 串聯方式
VCSC作為串聯諧振電容來穩定系統輸出電壓的情況如圖8所示。從中可以看出，這裏開關S65與電容Cdw 66是並聯而不是串聯關系。本領域的專業技術人員可以很容易地在本發明的基礎上找出各種變體，而不脫離本發明的範圍和精神。申請人無意把該發明以任何方式限制為本文件中所描述的各種具體細節。電路中其它部分的工作原理與上一節所介紹的情況類似，在此不再贅述。
3.多原邊大功率無線電能傳輸系統
用多個模塊化的相同的一次側電路共同驅動二次側電路的策略如圖9所示。在前兩節所介紹的技術的基礎上，可以實現在確保諧振和軟開關的情況下，對系統的頻率進行隨心所欲的靈活控制，使由不同的DC-AC變換器70或72驅動的無線電能傳輸系統的原邊線圈(69或71中)所產生的磁場的頻率以及相位都相同，從而使它們可以疊加在一起共同驅動副邊電路。這就為實現一次側電路的模塊化，用多個由額定功率值較小的器件所構成的模塊化的小功率的一次側電路共同驅動二次側電路，提高傳輸功率，實現大功率傳輸，奠定了堅實的基礎。同時由於模塊化的一次側電路70和72可以大規模批量生產，這也會大大降低產品的研發設計以及製造成本。圖9(a)是不同的原邊模塊72使用不同的共振槽71或原邊線圈的情況。圖9(b)是不同的原邊模塊70使用同一個共振槽69或原邊線圈的情況。
儘管本發明已經通過對其實施例的詳細描述，進行了說明，但申請人無意將所附權利要求的範圍以任何方式限制於這些細節。本領域的專業技術人員可以很容易地在本發明的基礎上找出各種變體，而不脫離本發明 的範圍和精神。因此，本發明在其更廣泛的方面不限於所示和所描述的具體細節，代表性裝置和方法以及說明性示例。在不脫離申請人的總體發明構思的精神或範圍的情況下，可以產生對這些細節的各種各樣的偏離。在本說明書中參考任何現有技術並不構成承認這樣的現有技術形成公知常識的一部分。
1‧‧‧使用鑒相器1來檢測系統自身固有諧振頻率的一般電路原理圖
2‧‧‧除自起振推挽式變換器(autonomous push pull converter)之外的任何開關模式的DC-AC變換器或逆變器
3‧‧‧共振槽(Resonant tank)
4‧‧‧共振槽中的主振蕩(諧振電壓或電流)過零點檢測電路，輸出為一方波，其上升和下降沿代表主振蕩的過零點時刻
5‧‧‧鑒相器1。該類型鑒相器的特點是，環路進入鎖定狀態時，其兩個輸入信號的相位差為零，反之(環路未進入鎖定狀態時)，該相位差不為零
6‧‧‧控制器1。由鑒相器1和其後的低通濾波器組成，輸出為一電壓
7‧‧‧低通濾波器
8‧‧‧壓控振蕩器(Voltage Controlled Oscillator)
9‧‧‧由壓控振蕩器輸出的系統的門驅動信號

Claims (10)

  1. 一種“開關模式DC-AC變換器驅動下的振蕩系統”的控制方法，其特徵在於：通過利用鎖相環技術實時監測系統自身固有諧振頻率(軟開關頻率)的變化，該方法可以使系統的驅動頻率與系統自身所固有的諧振頻率始終保持一致，實現共振，使系統始終同時工作在“方波驅動，軟開關和諧振”狀態下，從而使系統的效率和能量傳輸能力得到極大地提高；其中對“系統自身固有諧振頻率”的實時監測，是通過實時監測系統門驅動信號與系統主振蕩過零點信號之間的相位差來實現的。
  2. 一種使“開關電容”實現軟開關的控制方法，其特徵在於：將一個電容和一個開關串聯或並聯；控制開關在電容兩端的諧振電壓為零時導通，在電容兩端的諧振電壓不為零時斷開；通過控制開關的導通時間或電容接入電路中的時間的長短來控制其平均等效電容的大小。
  3. 如請求項1所述的方法，其為用來實現能始終同時工作在“方波驅動，軟開關及諧振”狀態下的變頻系統的方法，其特徵在於：系統的驅動頻率始終實時跟蹤系統自身固有諧振頻率的變化。
  4. 如請求項1和2中所述的方法，其為用來實現能始終同時工作在“方波驅動，軟開關及諧振”狀態下的定頻系統的方法，其特徵在於： 利用請求項1中的方法來實時監測系統自身固有諧振頻率的變化，並利用請求項2中的可變電容來對“系統自身固有諧振頻率的變化”進行實時動態補償，使之始終與系統的驅動頻率保持一致；這樣當系統的驅動頻率保持固定不變時，所實現的就是一個定頻系統；而當系統的驅動頻率變化時，系統自身固有諧振頻率也可以實時動態跟蹤驅動頻率的變化，使系統始終工作在“方波驅動，軟開關及諧振”狀態下。
  5. 如請求項2中所述的方法，通過串/並聯調諧，其為用來實現穩定或調整系統的輸出電壓或功率的目的。
  6. 如請求項1和2中所述的方法，其為用來實現“模塊化多原邊(比如無線電能傳輸系統的DC-AC變換器及共振槽)共同驅動二次側電路”，從而提高系統能量傳輸能力的策略，其特徵在於：使用如請求項1和2中的方法，控制由模塊化的不同的原邊電路所產生的諧振電壓和電流的頻率和相位完全相同，從而這些電壓和電流(以及所產生的電場，磁場等)可以疊加在一起；可以通過把這些原邊電路設計成標准化的模塊的形式，大批量生產，從而降低生產和設計成本；由於整個系統的能量傳輸能力可以通過使用“多個”模塊化的原邊電路疊加在一起來提高，而各個模塊本身的功率可以做得較小，這樣就可以通過使用功率較小的器件(比如說開關)來實現大功率能量傳輸。
  7. 一種可以避免變頻系統產生頻率分叉現象的方法，其特徵在於： 系統的驅動頻率被限制在系統正常工作的頻率範圍內，而不是在任何情況下(比如產生頻率分叉現象時)，都跟蹤系統諧振頻率的變化；比如說通過選擇合適的外接電阻電容，把產生系統驅動頻率的壓控振蕩器的輸出頻率限制在系統正常工作的頻率範圍內；或者通過使用分壓電阻等方法，減小壓控振蕩器輸入控制電壓的範圍，從而減小其輸出頻率的變化範圍。
  8. 一種動態實時調整控制單穩觸發器輸出脈沖寬度的方法，其特徵在於：使用一個電壓，通過電阻或晶體管等器件，來影響單穩觸發器外接電容的充放電過程。
  9. 如請求項1至8中任一項所述的方法，其為在“無線電能傳輸，開關電源，DC-DC變換器，高壓直流輸電”等系統中的應用。
  10. 如請求項1至8中任一項所述的方法，其為在任何其它“需要用到開關模式DC-AC變換”的電力電子及非電力電子系統中的應用。
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