专利名称：一种磁场耦合式非接触电能传输装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力电子领域，更具体的说，涉及一种磁场耦合式非接触电能传输装置。
背景技术：
磁场耦合式非接触电能传输系统主要适用于矿井、水下作业等各类环境恶劣的工作场合，以实现安全的电气屏蔽隔离，避免漏电、短路以及火灾等各种事故带来的损失。除此之外，其本身新颖，便捷的能量传输模式也充分迎合了目前民用消费类电子产品市场在创新、个性等方面逐渐提高的要求。但由于磁场耦合式非接触能量传输系统的原、副边磁场耦合效果较差，系统工作对原边能量发射和副边能量接收的摆放位置非常敏感，同时即便能够实现均勻的磁场发射平台，由于其原副边磁场耦合系数较低，漏感较大，能量传输效率普遍较低。为此，一般要采用合理的控制方案使系统原、副边能处于谐振工作状态，提高传输效率，目前，常采用两种基本的控制模式控制模式定频和变频控制模式。定频控制模式中， 实际工作时电路元器件不可避免地会因为损耗产生温升，导致副边实际工作谐振频率发生变化，原副边电路不同谐，使得电能传输受损。变频控制可以通过实时控制原边谐振频率， 使其跟踪副边谐振电路频率，使得原副边电路同谐，获得最大电能传输。但在变频控制中， 电源输入电压和输入电流间的相位角与频率的关系很可能出现分歧现象，引起系统不稳定。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种磁场耦合式非接触电能传输装置，在系统初始工作时通过对系统频率的调节过程捕捉系统谐振工作频率点，之后，通过调节控制使系统原、副边电流、电压保持同相，系统能始终保持谐振工作状态，系统传输效率达到最高。本发明所述的一种磁场耦合式非接触电能传输装置，包括相互独立的电能发射部分和电能接收部分，其中，所述电能发射部分包括原边全桥开关电路、原边PWM驱动控制电路、谐振电容和原边发射绕组，所述电能接收部分包括副边同步整流全桥开关电路、副边 PWM驱动控制电路和副边接收绕组，其特征在于，所述电能发射部分进一步包括扫频发生电路、原边开关管电流过零检测电路、输入限流电路和原边斜坡信号发生电路，所述扫频发生电路产生开关脉冲信号，用于控制原边全桥开关电路中第一下管和第二下管的状态，以从高频至低频的调节过程调节所述第一下管和第二下管的工作频率；所述原边开关管电流过零检测电路，检测所述原边全桥开关电路中第一下管和第二下管电流，当所述第一下管和第二下管电流到达零值时，产生电流过零脉冲信号；当所述原边开关管电流过零检测电路产生的电流过零脉冲信号迟于所述扫频发生电路产生的开关脉冲信号输出时，所述开关脉冲信号控制所述第一下管和第二下管的关断动作，在延时一定的死区时间后，导通原边全桥开关电路中第一上管和第二上管；
当所述原边开关管电流过零检测电路产生的电流过零脉冲信号先于所述扫频发生电路产生的开关脉冲信号输出时，所述电流过零脉冲信号控制所述第一下管和第二下管的关断动作，在延时所述死区时间后，导通原边全桥开关电路第一上管和第二上管；此时所述磁场耦合式非接触电能传输装置的工作频率到达系统谐振频率点；所述输入限流电路与所述原边全桥开关电路、原边PWM驱动控制电路相连接，其接收全桥开关电路中第一上管电流信号，产生第二误差放大电压信号并传输至所述原边 PWM驱动控制电路以控制所述原边全桥开关电路中第一上管和第二上管的关断动作，从而限制输入电流的大小；所述原边斜坡信号发生电路根据所述扫频发生电路产生的开关脉冲信号和所述原边开关管电流过零检测电路产生的电流过零脉冲信号的优先级竞争来产生一峰值恒定的原边斜坡电压信号，并与输入限流电路的第二误差放大电压信号共同输入至所述原边 PWM驱动控制电路以控制所述原边全桥开关电路第一上管和第二上管的关断动作，延迟死区时间后产生原边全桥开关电路第一下管和第二下管的导通信号。进一步的，所述扫频发生电路包括第一可调电流源、第一开关管、第一电容、第一比较器、单脉冲发生电路和分频器，所述第一可调电流源用以给所述第一电容提供充电电流，所述第一开关管与所述第一电容并联，通过控制所述第一开关管的关断与导通以控制所述第一电容的充放电动作，使得所述第一电容两端产生第三斜坡电压信号；所述第一比较器接收所述第三斜坡电压信号与第一基准电压信号进行比较，产生第一比较脉冲信号；所述单脉冲发生电路接收所述第一比较脉冲信号，产生一单脉冲信号以控制所述第一开关管的开关动作；所述分频器接收所述第一比较脉冲信号，产生两路开关脉冲信号传输给所述原边开关管电流过零检测电路。进一步的，所述原边开关管电流过零检测电路包括原边第一下管电流过零检测电路和原边第二下管电流过零检测电路，所述原边第一下管电流过零检测电路用以检测所述原边全桥开关电路中第一下管电流过零点；所述原边第二下管电流过零检测电路用以检测所述原边全桥开关电路中第二下管电流过零点。进一步的，所述原边第一下管电流过零检测电路包括第一电流采样电路、第二比较器、第一选择电路和第一 RS触发器，所述第一电流采样电路采样所述原边全桥开关电路中第一下管电流，产生第一采样电压信号；所述第二比较器接收所述第一采样电压信号与基准零电压信号，产生原边第一电流过零脉冲信号；所述第一选择电路接收所述原边第一电流过零脉冲信号与所述扫频发生电路输出的第一路开关脉冲信号，通过优先级竞争产生一复位信号；所述第一 RS触发器接收所述复位信号和所述原边PWM驱动控制电路产生的延迟信号作为置位信号，产生开关信号以控制所述原边全桥开关电路中第一下管的关断和导通。优选的，所述第一选择电路用以判断所述原边第一电流过零脉冲信号和所述第一路开关脉冲信号的输出优先级，当第一路开关脉冲信号先于原边第一电流过零脉冲信号输出时，根据第一路开关脉冲信号产生所述的复位信号；当原边第一电流过零脉冲信号先于第一路开关脉冲信号输出时，根据原边第一电流过零脉冲信号产生所述的复位信号。进一步的，所述原边第二下管电流过零检测电路包括第二电流采样电路、第三比较器、第二选择电路和第二 RS触发器，所述第二电流采样电路采样所述原边全桥开关电路中第二下管电流，产生第二采样电压信号；所述第三比较器接收所述第二采样电压信号与基准零电压信号，产生原边第二电流过零脉冲信号；所述第二选择电路接收所述原边第二电流过零脉冲信号与所述扫频发生电路输出的第二路开关脉冲信号，通过优先级竞争产生一复位信号；所述第二 RS触发器接收所述复位信号和所述原边PWM驱动控制电路产生的延迟信号作为置位信号，产生开关信号以控制所述原边全桥开关电路中第二下管的关断和导
ο优选的，所述第二选择电路用以判断所述原边第二电流过零脉冲信号和所述第二路开关脉冲信号的输出优先级，当第二路开关脉冲信号先于原边第二电流过零脉冲信号输出时，根据第二路开关脉冲信号产生所述的复位信号；当原边第二电流过零脉冲信号先于第二路开关脉冲信号输出时，根据原边第二电流过零脉冲信号产生所述的复位信号。进一步的，所述原边斜坡信号发生电路包括第二可调电流源、第二开关管、第二电容、第一采样保持电路、第一跨导运算放大器和第一补偿电路，所述第二可调电流源给所述第二电容提供充电电流，所述第二开关管与所述第一选择电路、第二选择电路相连，用以接收控制第一下管和第二下管关断的脉冲信号，通过控制第二开关管的关断与导通以控制所述第二电容充放电动作，使得在所述第二电容两端产生第一斜坡电压信号，即所述的原边斜坡电压信号，并传输给所述原边PWM驱动控制电路；所述第一采样保持电路接收控制所述第一下管和第二下管关断的脉冲信号，并对所述第一斜坡电压信号进行采样保持，产生第一保持电压信号；所述第一跨导运算放大器的反相输入端接收所述第一保持电压信号，其同相输入端接收第二基准电压信号，输出第一误差放大电流信号，所述第一误差放大电流信号经所述第一补偿电路后形成第一误差放大电压信号，对所述第二可调电流源的电流值大小进行调节，以使得所述原边斜坡电压信号峰值恒定。进一步的，所述输入限流电路包括一采样滤波电路、第二跨导运算放大器和第二补偿电路，所述采样滤波电路采样所述原边全桥开关电路中第一上管电流信号，形成第三采样电压信号；所述第二跨导运算放大器的反相输入端接收所述第三采样电压信号，其同相输入端接收第三基准电压信号，并输出第二误差放大电流信号，所述第二误差放大电流信号经所述第二补偿电路后形成第二误差放大电压信号，输入至原边PWM驱动控制电路。进一步的，所述电能接收部分包括同步整流控制电路、恒流控制电路、恒压控制电路、副边开关管电流过零检测电路和副边斜坡信号发生电路，其中所述同步整流控制电路，用于检测所述副边同步整流全桥开关电路中第一下管和第二下管的漏源极电压，产生第一脉冲信号控制所述第一下管和第二下管的导通动作；同时所述同步整流控制电路检测副边同步整流全桥开关电路中第一上管和第二上管的漏源极电压，产生第二脉冲信号控制所述第一上管和第二上管的关断动作；所述恒流控制电路、恒压控制电路接收所述全桥同步整流开关电路的输出电流/ 电压信号，分别产生恒流控制误差放大电压信号和恒压控制误差放大信号；所述副边开关管电流过零检测电路，用于检测副边同步整流全桥开关电路中第一上管和第二上管的电流，当第一上管和第二上管电流到达零值时，产生副边电流过零脉冲信号；所述副边斜坡信号发生电路根据所述副边电流过零脉冲信号产生一峰值恒定的副边斜坡电压信号，所述恒流控制误差放大电压信号和所述恒压控制误差放大电压信号经最低值选择后，与所述副边斜坡电压信号共同输入至所述副边PWM驱动控制电路以控制所述副边同步整流全桥开关电路中第一上管和第二上管的导通动作，延时死区时间后，关断副边同步整流全桥开关电路中第一下管和第二下管。进一步的，所述同步整流控制电路包括第四比较器，第五比较器，第六比较器和第七比较器，所述第四比较器与第五比较器接收所述副边同步整流全桥开关电路中第一下管和第二下管的漏源极电压与第四基准电压信号进行比较，当所述副边同步整流全桥开关电路中第一下管和第二下管的漏源极电压小于第四基准电压信号时，输出所述第一下管与第二下管的导通信号；所述第六比较器与第七比较器接收所述副边同步整流全桥开关电路中第一上管和第二上管的漏源极电压与基准零电压信号比较，当所述副边同步整流全桥开关电路第一上管和第二上管的漏源极电压大于基准零电压信号时，输出所述第一上管与第二上管的关断信号。进一步的，所述副边斜坡信号发生电路包括第三可调电流源、第三开关管、第三电容、第二采样保持电路、第三跨导运算放大器和第三补偿电路，所述第三可调电流源给所述第三电容提供充电电流，所述第三开关管接收控制副边同步整流全桥开关电路第一上管和第二上管关断的脉冲信号，通过控制第三开关管的关断与导通以控制所述第三电容充放电动作，使得在所述第三电容两端产生第二斜坡电压信号，即所述的副边斜坡电压信号，并传输给所述副边PWM驱动控制电路；所述第二采样保持电路接收控制所述第一上管和第二上管关断的脉冲信号，并对所述副边斜坡电压信号进行采样保持，产生第二保持电压信号；所述第三跨导运算放大器的反相输入端接收所述第二保持电压信号，其同相输入端接收第五基准电压信号，产生第三误差放大电流信号，所述第三误差放大电流信号经所述第三补偿电路后形成第三误差放大电压信号，对所述第三可调电流源的电流值大小进行调节，使得所述副边斜坡电压信号峰值恒定。
进一步的，所述恒流控制电路包括一电流采样电路、第四跨导运算放大器与第四补偿电路，所述电流采样电路用以采样所述副边同步整流全桥开关电路的输出电流信号，产生第四采样电压信号；所述第四跨导运算放大器用以接收所述第四采样电压信号与第六基准电压信号， 产生第四误差放大电流信号，所述第四误差放大电流信号经所述第四补偿电路后形成第四误差放大电压信号，即恒流控制误差放大电压信号。进一步的，所述输出恒压控制电路包括一电压采样电路、第五跨导运算放大器与第五补偿电路，所述电压采样电路用以采样所述副边同步整流全桥开关电路输出电压信号，产生第五采样电压信号；所述第五跨导运算放大器用以接收所述第五采样电压信号与第七基准电压信号， 产生第五误差放大电流信号，所述第五误差放大电流信号经所述第五补偿电路后形成第五误差放大电压信号，即恒压控制误差放大电压信号。进一步的，所述的电能接收部分包括第一选择二极管和第二选择二极管，所述第一选择二极管的阴极与所述输出恒流控制电路输出端连接，接收输出恒流控制误差放大信号，所述第二选择二极管的阴极与所述输出恒压控制电路输出端连接，接收输出恒压控制误差放大信号，所述第一选择二极管的阳极和第二选择二极管的阳极连接于一点，所述恒流控制误差放大电压信号和所述恒压控制误差放大电压信号经第一选择二极管和第二选择二极管选择，哪一信号为低则传输至所述副边PWM驱动控制电路。优选的，所述原边全桥开关电路、扫频发生电路、原边开关管电流过零检测电路、 原边斜坡信号发生电路、输入限流电路、原边PWM驱动控制电路集成于一原边高功率密度电源管理芯片中；所述副边同步整流全桥开关电路、同步整流控制电路、恒流控制电路、恒压控制电路、副边开关管电流过零检测电路、副边斜坡信号发生电路和副边PWM驱动控制电路集成于一副边高功率密度电源管理芯片中。依照以上技术方案实现的磁场耦合式非接触充电装置，通过自动扫频功能，捕捉系统谐振工作频率点，这样在原、副边绕组相对位置或其他元器件发生变化时，通过调节系统电压、电流达到同相，保证系统能趋于谐振频率点工作，系统始终稳定地工作在谐振状态，提高了系统传输效率。而且本发明通过设置输入限流、输出恒流/恒压功能，能使其应用在有特殊要求的场合，扩大了其应用范围。另外本发明的电能发射部分和电能接收部分均采用单芯片集成技术，将原、副边各电路高度集成在独立的封装芯片中，在增加其系统功能，提高系统传输效率的基础上，大幅减小了芯片的体积，从而提高了功率密度。本发明的磁场耦合式非接触电能传输装置采用变频控制模式，克服了现有技术中的不足，满足传输效率高、稳定性好的技术要求，并且成本低，体积小。
图1所示为依据本发明的磁场耦合式非接触电能传输装置一实施例的原理框图；图2所示为本发明中原边全桥开关电路图；图3A所示为依据本发明的磁场耦合式非接触电能传输装置中扫频发生电路一实施例的原理框图；图;3B所示为依据本发明的扫频发生电路工作波形图；图4A所示为依据本发明的磁场耦合式非接触电能传输装置中原边第一下管电流过零检测电路一实施例的原理框图；图4B所示为依据本发明的原边开关管电流过零检测电路工作波形图；图5所示为依据本发明的磁场耦合式非接触电能传输装置中原边斜坡信号发生电路一实施例的原理框图；图6所示为依据本发明的磁场耦合式非接触电能传输装置中输入限流电路一实施例的原理框图；图7所示为依据本发明的磁场耦合式非接触电能传输装置中副边斜坡信号发生电路一实施例的原理框图；图8所示为依据本发明的磁场耦合式非接触电能传输装置中恒流控制电路与恒压控制电路一实施例的原理框具体实施例方式以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。参考图1，所示为依据本发明的磁场耦合式非接触电能传输装置一实施例的原理框图。该实施例中磁场耦合式非接触电能传输装置包括电能发射部分102和电能接收部分103，其中，电能发射部分102包括原边全桥开关电路105、扫频发生电路106、输入限流电路107、原边开关管电流过零检测电路108以及原边斜坡信号发生电路109、原边PWM驱动控制电路110、谐振电容111和原边电能发射绕组112。其中，原边全桥开关电路105、扫频发生电路106、输入限流电路107、原边开关管电流过零检测电路108以及原边斜坡信号发生电路109和原边PWM驱动控制电路110集成在一原边高功率密度集成电源管理芯片中 121 中。参考图2所示为本发明应用的原边全桥开关电路，其包括第一上管Si、第二上管 S2、第一下管S3和第二下管S4，其中第一上管Sl与第一下管S3串联，第二上管S2与第二下管S4串联，第一上管Sl与第二上管S2具有一公共端连接所述输入电压Vin正端，第一下管S3和第二下管S4具有一公共端接地，第一上管Sl和第一下管S3的公共连接端A作为所述方波电压信号一输出端，第二上管S2和第二下管S4的公共连接端B作为所述方波电压信号另一输出端。本实施例中的开关管可采用场效应管或双极型晶体管等半导体开关管，但本发明中的开关管不限于上述开关管类型。原边全桥开关电路105接收输入电源101的输入电压Vin，通过控制其开关管时序地导通与关断，以输出一高频交变的方波电压信号Vab，所述谐振电容111与原边电能发射绕组112在接收高频交变方波电压Vab后谐振工作，产生高频交变电流信号IP。在电能传输过程中，为了使传输效率达到最大，最好能使系统达到谐振并始终工作在谐振状态，因此，电能发射部分通过扫频发生电路106、输入限流电路107、原边开关管电流过零检测电路108以及原边斜坡信号发生电路109来调节控制原边全桥开关电路105 中开关管的工作频率，首先通过从高至低的频率调节过程捕捉到系统谐振工作频率点，然后控制使其全桥开关电路输出的方波电压信号Vab与电流保持同相，保证系统处于谐振工作状态。下面根据图3A-图6对上述几个电路的工作过程和实现的技术效果作进一步详细的描述。在开始工作时，扫频发生电路即开始对系统进行从高到低的频率调节过程。参考图3A，所示为依据本发明的磁场耦合式非接触电能传输装置中扫频发生电路一实施例的原理框图，图3B所示为依据本发明的扫频发生电路的工作波形图。扫频发生电路106包括可调恒流源301、第一开关管302、第一电容303、第一比较器304、单脉冲发生电路306和分频器305，其工作过程为可调恒流源301给第一电容303提供充电电流Isl，当第一电容303 充电至第一参考电压时，第一比较器304输出第一比较脉冲信号Vpulsel，其上升沿触发所述单脉冲发生电路306产生一单脉冲信号V。ne sh。t，触发第一开关管302导通，第一电容 303进行放电，直至放电完成，形成第三斜坡信号Vramp3,此后，第一比较器304接收第三斜坡电压信号Vramp3与第一基准电压信号VMfl进行比较，产生第二个第一比较脉冲信号Vpulsel， 依次循环。分频器305接收第一比较脉冲信号Vpulsel后产生两路开关脉冲信号Vpulsel+ Vpulsel_2分别传输给原边第一下管电流过零检测电路108-1和原边第二下管电流过零检测电路108-2。在工作过程中，可通过调节恒流源301的输出电流Isl由大到小的变化来改变第一电容303的充电时间从而改变第三斜坡电压信号Vramp3的上升斜率，使第一比较脉冲信号 Vpulsel的频率由快到慢的变化，其输出的两路开关脉冲信号VpulseH和vpulsel_2的频率也将由快到慢变化，这样，可实现控制原边全桥开关电路105中第一下管和第二下管的工作频率从高到低变化，这样即可完成对系统工作频率由高到低的调节。同时，在扫频发生电路106调节系统工作频率的过程中，原边开关管电流过零检测电路108同步地对原边中的第一下管和第二下管的电流进行检测。参考图4A，所示为依据本发明的磁场耦合式非接触电能传输装置中原边第一下管电流过零检测电路一实施例的电路原理框图，图4B所示为依据本发明的原边开关管电流过零检测电路的工作波形图。 原边第一下管电流过零检测电路108-1包括第一电流采样电路、第二比较器402、第一选择电路和第一 RS触发器404，其工作过程为第一电流采样电路采样第一下管S3电流以产生第一采样电压信号Vs第二比较器402接收第一采样电压信号Vsensel与一基准零电压信号VMf，产生原边第一电流过零脉冲信号Vpulse2，第一选择电路接收所述原边第一电流过零脉冲信号Vpulse2与扫频发生电路105传输的第一路脉冲信号Vpuls^1，通过优先级竞争产生一复位信号，第一 RS触发器404接收所述复位信号和一置位信号，产生开关信号以控制第一下管S3的关断和导通，置位信号为原边PWM驱动控制电路产生的延迟信号。同理，原边第二下管电流过零检测电路的电路结构和工作过程与原边第一下管电流过零检测电路相同， 其主要用以控制第二下管的关断和导通，具体工作过程在此不再赘述。本实施例中，第一电流采样电路采用采样电阻401实现，第一选择电路采用一或门403实现，本领域技术人员可知，任何可实现电流采样的电路方式和实现选择电路的方式均可应用至本发明，上述第一选择电路403和第二选择电路用以判断原边电流过零脉冲信号和开关脉冲信号的输出优先级，在系统初始工作时，由于扫频发生电路106输出的两路开关脉冲信号Vpulsel+ Vpulsel_2的频率较高，扫频发生电路106输出的两路开关脉冲信号Vpulsel+ vpulsel_2先于原边开关管电流过零检测电路108输出的电流过零脉冲信号Vpulse2、vpulse3，此时根据开关脉冲信号Vpuls㈣、vpulsel_2控制原边中的第一下管和第二下管关断。之后，随着扫频发生电路106输出开关脉冲信号频率的减慢，原边开关管电流过零检测电路108输出的电流过零脉冲信号Vpulse2、Vpulse3先于扫频发生电路106输出的开关脉冲信号Vpulsel+ Vpulsel_2, 此时，根据电流过零脉冲信号Vpulse2、Vpulse3控制关断原边中的第一下管和第二下管。在上述工作过程中，当所述原边开关管电流过零检测电路产生的电流过零脉冲信号先于所述扫频发生电路产生的开关脉冲信号输出时，此时所述磁场耦合式非接触电能传输装置的工作频率到达系统谐振频率点，并且此时原边105的输出方波电压Vab与电流达到同相位。此后，系统稳定工作过程后，由原边开关管电流过零检测电路108输出的电流过零脉冲信号Vpulse2、Vpulse3控制原边中的第一下管和第二下管关断，可保证原边105的输出方波电压Vab与电流始终同相，系统能一直工作在谐振状态，传输效率保持最高。当上述的原边全桥开关电路中的第一下管和第二下管关断后，延时死区时间后， 开通原边全桥开关电路第一上管和第二上管，之后，由原边PWM驱动控制电路控制第一上管和第二上管的关断，其具体控制的工作过程如下原边斜坡信号发生电路109与所述原边开关管电流过零检测电路107中第一选择电路403和第二选择电路相连接，用以接收控制第一下管和第二下管关断的脉冲信号，以产生峰值恒定的原边斜坡电压信号Vmp1输出至所述原边PWM驱动控制电路。原边PWM驱动控制电路110接收所述第一斜坡电压信号Vrampl 和输入限流电路107产生的第二误差放大电压信号Vc2，产生占空比信号以控制所述原边中第一上管和第二上管的关断。延时死区时间后，开通原边全桥开关电路第一下管和第二下管。其中，所述的原边斜坡信号发生电路可控制原边斜坡电压信号峰值保持恒定，使系统参数精确，稳定性更好。参考图5为依据本发明的磁场耦合式非接触电能传输装置中原边斜坡发生电路一实施例的电路原理框图，包括第二可调电流源501、第二开关管502、 第二电容503、第一采样保持电路504、第一跨导运算放大器505和第一补偿电路506，所述第二开关管502与原边开关管电流过零检测电路108中第一选择电路、第二选择电路相连， 接收控制所述第一下管和第二下管关断的脉冲信号，第二可调电流源501给第二电容503 提供充电电流Is2，通过控制第二开关管502的关断与导通以控制所述第二电容503充放电动作，在所述第二电容503两端产生第一斜坡信号VMmpl，即原边斜坡电压信号，并传输至原边PWM驱动控制电路110。所述第一采样保持电路504接收控制第一下管和第二下管关断的脉冲信号，并对所述第一斜坡信号Vmp1进行采样保持，产生第一保持电压信号，所述第一跨导运算放大器505的反相输入端接收所述第一保持电压信号，其同相输入端接收第二基准电压信号VMf2，输出第一误差放大电流信号，所述第一误差放大电流信号经所述第一补偿电路后形成第一误差放大电压信号，对所述第二可调电流源的电流值大小进行调节，以使得所述原边斜坡电压信号峰值恒定。另外，电能发射部分还设有输入限流电路107，参考图6，所示为依据本发明的磁场耦合式非接触电能传输装置中输入限流电路一实施例的原理框图。输入限流电路107包括一采样滤波电路601、第二跨导运算放大器602和第二补偿电路603，其中，采样滤波电路 601采样所述输入电流Iin信号，形成第三采样电压信号Vsense3，第一跨导运算放大器602的反相输入端接收所述第三采样电压信号Vsense3，其同相输入端接收第三基准电压信号V,ef3， 输出第二误差放大电流信号，第二误差放大电流信号经所述第一补偿电路603后输出第二误差放大电压信号\2。其具体工作过程为当输入电流Iin增大时，第三采样电压信号Vsense3 也增大，因第三采样电压信号Vsmse3输入第二跨导运算放大器的反相输入端，所以第二误差放大电压信号\2减小，原边PWM驱动控制电路接收所述的第二误差放大电压信号\2和所述第一斜坡电压信号Vmp1后产生占空比信号以控制原边第一上管提前关断，从而减小输入电流IIN。同样的，输入限流电路也可采集原边第二上管电流，从而控制原边第二上管提前关断，以减小输入电流Iin。通过此方式来控制原边中开关管的导通和关断，可实现输入电流 Iin恒定控制，满足对需要输入进行限流的应用。本实施例中，第一补偿电路采用电阻和电容串联的方式来实现，本领域技术人员可知，任何其他等效的补偿电路均可应用至本发明。通过以上对扫频发生电路、电流过零检测电路、输入限流电路以及原边斜坡信号发生电路的具体实施例的实现过程描述可知，本发明通过初始扫频以捕捉系统谐振频率点，通过电流过零检测电路保证系统达到谐振并始终保持谐振工作状态，并设置特定的输入限流功能，在保证系统传输效率最高的同时满足对输入电流有限制的特殊应用场合，且本发明的磁场耦合式非接触电能传输装置电能发射部分采用高集成技术，将各个功能电路集成在一个芯片中，简化了外围电路设计。对于电能接收部分103，参考图1，电能接收部分103包括副边同步整流全桥开关电路114、同步整流控制电路115、恒流控制电路116、恒压控制电路117、副边开关管电流过零检测电路118、副边斜坡信号发生电路119、副边PWM驱动控制电路120以及副边电能接收绕组113，其中所述副边同步整流全桥开关电路114、同步整流控制电路115、恒流控制电路116、恒压控制电路117、副边开关管电流过零检测电路118、副边斜坡信号发生电路119、 副边PWM驱动控制电路120集成在一副边高功率密度集成电源管理芯片中122中。为方便阐述本发明内容，副边同步整流全桥开关电路一并画在图8所示的电路中，参考图8，副边同步整流全桥开关电路114包括第一上管Si’、第二上管S2’、第一下管 S3’和第二下管S4’，其中第一上管Si’和第一下管S3’串联，第二上管S2’和第二下管S4’ 串联，第一上管Si’和第一下管S3’的公共连接端C作为所述高频交变电流信号Ip—接收端，所述第二上管S2’和第二下管S4，的公共连接端D作为所述高频交变电流信号Ip另一接收端，所述第一上管Si’和第二上管S2’公共端作为全桥同步整流开关电路输出信号的正端，所述第一下管S3’和第二下管S4’公共端作为全桥同步整流开关电路输出信号的负端。电能接收绕组113感应电能发射绕组112发射的高频交变电流信号IP，通过副边同步整流全桥开关电路114整流后，输出可控的能量供给负载104。同样的，为了使副边也能够工作在谐振状态，以保持原、副边同谐，使系统电能传输效率达到最大，本发明装置在电能接收部分设置了同步整流控制电路115，副边开关管电流过零检测电路118和副边斜坡信号发生电路119，用以调节控制副边电流与电压达到同相。并且电能接收部分还设置了恒流控制电路116和恒压控制电路117，以此为负载提供恒流或恒压充电模式。以下参考图7-图8对上述几个电路的工作过程和实现的技术效果作进一步详细描述。本实施例中，对副边同步整流全桥开关电路114中开关管的控制策略如下
同步整流控制电路115包括第四比较器，第五比较器，第六比较器和第七比较器， 所述第四比较器与第五比较器接收所述副边同步整流全桥开关电路中第一下管和第二下管的漏源极电压与第四基准电压信号进行比较，当所述副边同步整流全桥开关电路中第一下管和第二下管的漏源极电压小于第四基准电压信号时，产生第一脉冲信号控制所述第一下管和第二下管的导通动作；所述第六比较器与第七比较器接收所述副边同步整流全桥开关电路中第一上管和第二上管的漏源极电压与基准零电压信号比较，当所述副边同步整流全桥开关电路第一上管和第二上管的漏源极电压大于基准零电压信号时产生第二脉冲信号控制所述第一上管和第二上管的关断动作。所述副边斜坡信号发生电路119根据所述副边电流过零脉冲信号产生一峰值恒定的副边斜坡电压信号，所述输出恒流控制误差放大信号和所述输出恒压控制误差放大信号经最低值选择后，与所述副边斜坡电压信号共同输入至所述副边PWM驱动控制电路120 以控制所述副边同步整流全桥开关电路114中第一上管和第二上管的导通动作，延时死区时间后，副边同步整流全桥开关电路114中第一下管和第二下管互补关断。其中，所述的副边斜坡信号发生电路119可控制副边斜坡电压信号峰值保持恒定，使系统参数精确，稳定性好。参考图7为依据本发明的磁场耦合式非接触电能传输装置中副边斜坡发生电路一实施例的电路图，所述副边斜坡信号发生电路119包括第三可调电流源701、第三开关管702，第三电容703，第二采样保持电路704、第三跨导运算放大器705 和第三补偿电路706，所述第三开关管接收控制副边同步整流全桥开关电路第一上管和第二上管关断的脉冲信号，即副边电流过零脉冲信号，所述第三可调电流源701给第三电容 703提供充电电流Is3，通过控制第三开关管702的关断与导通以控制所述第三电容703充放电动作，使得在所述第三电容703两端产生第二斜坡信号Vramp2,即副边斜坡电压信号，并传输至副边PWM驱动控制电路120。所述第二采样保持电路704接收控制所述第一上管和第二上管关断的脉冲信号，并对所述第三斜坡信号进行采样保持，产生第二保持电压信号， 所述第三跨导运算放大器705的反相输入端接收所述第二保持电压信号，其同相输入端接收第五基准电压信号Vref5，产生第三误差放大电流信号，所述第三误差放大电流信号经所述第三补偿电路后形成第三误差放大电压信号VC3，对所述第三可调电流源的电流值大小进行调节，使得所述副边斜坡电压信号峰值保持恒定。其中，对恒流控制电路116和恒压控制电路117输出的恒流控制误差放大信号和恒压控制误差放大信号最低值选择过程如下所述参考图8所示为依据本发明的磁场耦合式非接触电能传输装置中恒流控制电路和恒压控制电路的一实施例的原理框图，为完整阐述电路工作过程，第一选择二极管Dl和第二选择二极管D2的阴极分别连接在恒流控制电路116和恒压控制电路117输出端，其阳极连接于一点E。恒流控制电路116包括电流采样电路801、第四跨导误差放大器802和第四补偿电路803，电流采样电路801采样全桥同步整流开关电路的输出电流信号I。ut，产生第四采样电压信号Vs■⑷第四跨导运算放大器802 接收所述第四采样电压信号Vsmse4与第六基准电压信号VMf6，产生第四误差放大电流信号， 所述第四误差放大电流信号经第四补偿电路803补偿后形成第四误差放大电压信号Vc4，即恒流控制误差放大电压信号。恒压控制电路117包括电压采样电路804、第五跨导运算放大器805和第五补偿电路806，所述电压采样电路804采样副边同步整流全桥开关电路的输出电压信号V。ut，产生第五采样电压信号Vsnse5，第五跨导运算放大器接收所述第五采样电压信号V—与第七基准电压信号VMf7，所述第五误差放大电流信号经第五补偿电路806补偿后形成第五误差放大电压信号Vc5，即恒压控制误差放大电压信号。之后，通过第一选择二极管Dl与第二选择二极管D2对第四误差放大电压信号Vc4和第五误差放大电压信号Vc4进行选择，具体为，当第四误差放大电压信号Vw低于第五误差放大电压信号Vc5时，Dl 二极管导通，信号Ve4为副边PWM驱动控制电路一输入信号，电路进入恒流充电模式；当第五误差放大电压信号V。5低于第四误差放大电压信号V。4时，D2 二极管导通，信号V。5为副边PWM驱动控制电路一输入信号，电路进入恒压充电模式。通过以上对恒流控制电路、恒压控制电路及过零检测电路的具体实施例的实现过程描述可知，本发明可实现恒流或恒压的方式输出，并通过设计同步软开关减小了系统损耗，通过副边电流过零检测保证副边电流、电压同相位，从而原、副边达到同谐，提高了系统工作效率，且本发明的耦合式非接触电能接收部分各电路通过高度集成技术从而简化了外围电路设计。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了最好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能最好地利用这个发明。修改的实施例同样也适用于预期的特定应用。本发明的范围为权利要求书全部范围以及其等效物。
权利要求
1.一种磁场耦合式非接触电能传输装置，包括相互独立的电能发射部分和电能接收部分，其中，所述电能发射部分包括原边全桥开关电路、原边PWM驱动控制电路、谐振电容和原边发射绕组，所述电能接收部分包括副边同步整流全桥开关电路、副边PWM驱动控制电路和副边接收绕组，其特征在于，所述电能发射部分进一步包括扫频发生电路、原边开关管电流过零检测电路、输入限流电路和原边斜坡信号发生电路，所述扫频发生电路产生开关脉冲信号，用于控制原边全桥开关电路中第一下管和第二下管的状态，以从高频至低频的调节过程调节所述第一下管和第二下管的工作频率；所述原边开关管电流过零检测电路，检测所述原边全桥开关电路中第一下管和第二下管电流，当所述第一下管和第二下管电流到达零值时，产生电流过零脉冲信号；当所述原边开关管电流过零检测电路产生的电流过零脉冲信号迟于所述扫频发生电路产生的开关脉冲信号输出时，所述开关脉冲信号控制所述第一下管和第二下管的关断动作，在延时一定的死区时间后，导通原边全桥开关电路中第一上管和第二上管；当所述原边开关管电流过零检测电路产生的电流过零脉冲信号先于所述扫频发生电路产生的开关脉冲信号输出时，所述电流过零脉冲信号控制所述第一下管和第二下管的关断动作，在延时所述死区时间后，导通原边全桥开关电路第一上管和第二上管；此时所述磁场耦合式非接触电能传输装置的工作频率到达系统谐振频率点；所述输入限流电路与所述原边全桥开关电路、原边PWM驱动控制电路相连接，其接收全桥开关电路中第一上管电流信号，产生第二误差放大电压信号并传输至所述原边PWM驱动控制电路以控制所述原边全桥开关电路中第一上管和第二上管的关断动作，从而限制输入电流的大小；所述原边斜坡信号发生电路根据所述扫频发生电路产生的开关脉冲信号和所述原边开关管电流过零检测电路产生的电流过零脉冲信号的优先级竞争来产生一峰值恒定的原边斜坡电压信号，并与输入限流电路的第二误差放大电压信号共同输入至所述原边PWM驱动控制电路以控制所述原边全桥开关电路第一上管和第二上管的关断动作，延迟死区时间后产生原边全桥开关电路第一下管和第二下管的导通信号。
2.根据权利要求1所述的一种磁场耦合式非接触电能传输装置，其特征在于，所述扫频发生电路进一步包括第一可调电流源、第一开关管、第一电容、第一比较器、单脉冲发生电路和分频器，所述第一可调电流源用以给所述第一电容提供充电电流，所述第一开关管与所述第一电容并联，通过控制所述第一开关管的关断与导通以控制所述第一电容的充放电动作，使得所述第一电容两端产生第三斜坡电压信号；所述第一比较器接收所述第三斜坡电压信号与第一基准电压信号进行比较，产生第一比较脉冲信号；所述单脉冲发生电路接收所述第一比较脉冲信号，产生一单脉冲信号以控制所述第一开关管的开关动作；所述分频器接收所述第一比较脉冲信号，产生两路开关脉冲信号传输给所述原边开关管电流过零检测电路。
3.根据权利要求1所述的一种磁场耦合式非接触电能传输装置，其特征在于，所述原边开关管电流过零检测电路进一步包括原边第一下管电流过零检测电路和原边第二下管电流过零检测电路，所述原边第一下管电流过零检测电路用以检测所述原边全桥开关电路中第一下管电流过零点；所述原边第二下管电流过零检测电路用以检测所述原边全桥开关电路中第二下管电流过零点。
4.根据权利要求3所述的一种磁场耦合式非接触电能传输装置，其特征在于，所述原边第一下管电流过零检测电路进一步包括第一电流采样电路、第二比较器、第一选择电路和第一 RS触发器，所述第一电流采样电路采样所述原边全桥开关电路中第一下管电流，产生第一采样电压信号；所述第二比较器接收所述第一采样电压信号与基准零电压信号，产生原边第一电流过零脉冲信号；所述第一选择电路接收所述原边第一电流过零脉冲信号与所述扫频发生电路输出的第一路开关脉冲信号，通过优先级竞争产生一复位信号；所述第一 RS触发器接收所述复位信号和所述原边PWM驱动控制电路产生的延迟信号作为置位信号，产生开关信号以控制所述原边全桥开关电路中第一下管的关断和导通。
5.根据权利要求4所述的一种磁场耦合式非接触电能传输装置，其特征在于，所述第一选择电路用以判断所述原边第一电流过零脉冲信号和所述第一路开关脉冲信号的输出优先级，当第一路开关脉冲信号先于原边第一电流过零脉冲信号输出时，根据第一路开关脉冲信号产生所述的复位信号；当原边第一电流过零脉冲信号先于第一路开关脉冲信号输出时，根据原边第一电流过零脉冲信号产生所述的复位信号。
6.根据权利要求3所述的一种磁场耦合式非接触电能传输装置，其特征在于，所述原边第二下管电流过零检测电路进一步包括第二电流采样电路、第三比较器、第二选择电路和第二 RS触发器，所述第二电流采样电路采样所述原边全桥开关电路中第二下管电流，产生第二采样电压信号；所述第三比较器接收所述第二采样电压信号与基准零电压信号，产生原边第二电流过零脉冲信号；所述第二选择电路接收所述原边第二电流过零脉冲信号与所述扫频发生电路输出的第二路开关脉冲信号，通过优先级竞争产生一复位信号；所述第二 RS触发器接收所述复位信号和所述原边PWM驱动控制电路产生的延迟信号作为置位信号，产生开关信号以控制所述原边全桥开关电路中第二下管的关断和导通。
7.根据权利要求6所述的一种磁场耦合式非接触电能传输装置，其特征在于，所述第二选择电路用以判断所述原边第二电流过零脉冲信号和所述第二路开关脉冲信号的输出优先级，当第二路开关脉冲信号先于原边第二电流过零脉冲信号输出时，根据第二路开关脉冲信号产生所述的复位信号；当原边第二电流过零脉冲信号先于第二路开关脉冲信号输出时，根据原边第二电流过零脉冲信号产生所述的复位信号。
8.根据权利要求1所述的一种磁场耦合式非接触电能传输装置，其特征在于，所述原边斜坡信号发生电路进一步包括第二可调电流源、第二开关管、第二电容、第一采样保持电路、第一跨导运算放大器和第一补偿电路，所述第二可调电流源给所述第二电容提供充电电流，所述第二开关管与所述第一选择电路、第二选择电路相连，用以接收控制第一下管和第二下管关断的脉冲信号，通过控制第二开关管的关断与导通以控制所述第二电容充放电动作，使得在所述第二电容两端产生第一斜坡电压信号，即所述的原边斜坡电压信号，并传输给所述原边PWM驱动控制电路；所述第一采样保持电路接收控制所述第一下管和第二下管关断的脉冲信号，并对所述第一斜坡电压信号进行采样保持，产生第一保持电压信号；所述第一跨导运算放大器的反相输入端接收所述第一保持电压信号，其同相输入端接收第二基准电压信号，输出第一误差放大电流信号，所述第一误差放大电流信号经所述第一补偿电路后形成第一误差放大电压信号，对所述第二可调电流源的电流值大小进行调节，以使得所述原边斜坡电压信号峰值恒定。
9.根据权利要求1所述的一种磁场耦合式非接触电能传输装置，其特征在于，所述输入限流电路进一步包括一采样滤波电路、第二跨导运算放大器和第二补偿电路，所述采样滤波电路采样所述原边全桥开关电路中第一上管电流信号，形成第三采样电压信号；所述第二跨导运算放大器的反相输入端接收所述第三采样电压信号，其同相输入端接收第三基准电压信号，并输出第二误差放大电流信号，所述第二误差放大电流信号经所述第二补偿电路后形成第二误差放大电压信号，输入至原边PWM驱动控制电路。
10.根据权利要求1所述的一种磁场耦合式非接触电能传输装置，其特征在于，所述电能接收部分进一步包括同步整流控制电路、恒流控制电路、恒压控制电路、副边开关管电流过零检测电路和副边斜坡信号发生电路，其中所述同步整流控制电路，用于检测所述副边同步整流全桥开关电路中第一下管和第二下管的漏源极电压，产生第一脉冲信号控制所述第一下管和第二下管的导通动作；同时所述同步整流控制电路检测副边同步整流全桥开关电路中第一上管和第二上管的漏源极电压，产生第二脉冲信号控制所述第一上管和第二上管的关断动作；所述恒流控制电路、恒压控制电路接收所述全桥同步整流开关电路的输出电流/电压信号，分别产生恒流控制误差放大电压信号和恒压控制误差放大信号；所述副边开关管电流过零检测电路，用于检测副边同步整流全桥开关电路中第一上管和第二上管的电流，当第一上管和第二上管电流到达零值时，产生副边电流过零脉冲信号；所述副边斜坡信号发生电路根据所述副边电流过零脉冲信号产生一峰值恒定的副边斜坡电压信号，所述恒流控制误差放大电压信号和所述恒压控制误差放大电压信号经最低值选择后，与所述副边斜坡电压信号共同输入至所述副边PWM驱动控制电路以控制所述副边同步整流全桥开关电路中第一上管和第二上管的导通动作，延时死区时间后，关断副边同步整流全桥开关电路中第一下管和第二下管。
11.根据权利要求10所述的一种磁场耦合式非接触电能传输装置，其特征在于，所述同步整流控制电路进一步包括第四比较器，第五比较器，第六比较器和第七比较器，所述第四比较器与第五比较器接收所述副边同步整流全桥开关电路中第一下管和第二下管的漏源极电压与第四基准电压信号进行比较，当所述副边同步整流全桥开关电路中第一下管和第二下管的漏源极电压小于第四基准电压信号时，输出所述第一下管与第二下管的导通信号；所述第六比较器与第七比较器接收所述副边同步整流全桥开关电路中第一上管和第二上管的漏源极电压与基准零电压信号比较，当所述副边同步整流全桥开关电路第一上管和第二上管的漏源极电压大于基准零电压信号时，输出所述第一上管与第二上管的关断信号。
12.根据权利要求10所述的一种磁场耦合式非接触电能传输装置，其特征在于，所述副边斜坡信号发生电路进一步包括第三可调电流源、第三开关管、第三电容、第二采样保持电路、第三跨导运算放大器和第三补偿电路，所述第三可调电流源给所述第三电容提供充电电流，所述第三开关管接收控制副边同步整流全桥开关电路第一上管和第二上管关断的脉冲信号，通过控制第三开关管的关断与导通以控制所述第三电容充放电动作，使得在所述第三电容两端产生第二斜坡电压信号， 即所述的副边斜坡电压信号，并传输给所述副边PWM驱动控制电路；所述第二采样保持电路接收控制所述第一上管和第二上管关断的脉冲信号，并对所述副边斜坡电压信号进行采样保持，产生第二保持电压信号；所述第三跨导运算放大器的反相输入端接收所述第二保持电压信号，其同相输入端接收第五基准电压信号，产生第三误差放大电流信号，所述第三误差放大电流信号经所述第三补偿电路后形成第三误差放大电压信号，对所述第三可调电流源的电流值大小进行调节，使得所述副边斜坡电压信号峰值恒定。
13.根据权利要求10所述的一种磁场耦合式非接触电能传输装置，其特征在于，所述恒流控制电路进一步包括一电流采样电路、第四跨导运算放大器与第四补偿电路，所述电流采样电路用以采样所述副边同步整流全桥开关电路的输出电流信号，产生第四采样电压信号；所述第四跨导运算放大器用以接收所述第四采样电压信号与第六基准电压信号，产生第四误差放大电流信号，所述第四误差放大电流信号经所述第四补偿电路后形成第四误差放大电压信号，即恒流控制误差放大电压信号。
14.根据权利要求10所述的一种磁场耦合式非接触电能传输装置，其特征在于，所述输出恒压控制电路进一步包括一电压采样电路、第五跨导运算放大器与第五补偿电路，所述电压采样电路用以采样所述副边同步整流全桥开关电路输出电压信号，产生第五采样电压信号；所述第五跨导运算放大器用以接收所述第五采样电压信号与第七基准电压信号，产生第五误差放大电流信号，所述第五误差放大电流信号经所述第五补偿电路后形成第五误差放大电压信号，即恒压控制误差放大电压信号。
15.根据权利要求10所述的一种磁场耦合式非接触电能传输装置，其特征在于，所述的电能接收部分进一步包括第一选择二极管和第二选择二极管，所述第一选择二极管的阴极与所述输出恒流控制电路输出端连接，接收输出恒流控制误差放大信号，所述第二选择二极管的阴极与所述输出恒压控制电路输出端连接，接收输出恒压控制误差放大信号，所述第一选择二极管的阳极和第二选择二极管的阳极连接于一点；所述恒流控制误差放大电压信号和所述恒压控制误差放大电压信号经第一选择二极管和第二选择二极管选择，哪一信号为低则传输至所述副边PWM驱动控制电路。
16.根据权利要求1所述的一种磁场耦合式非接触电能传输装置，其特征在于，所述原边全桥开关电路、扫频发生电路、原边开关管电流过零检测电路、原边斜坡信号发生电路、 输入限流电路、原边PWM驱动控制电路集成于一原边高功率密度电源管理芯片中；所述副边同步整流全桥开关电路、同步整流控制电路、恒流控制电路、恒压控制电路、副边开关管电流过零检测电路、副边斜坡信号发生电路和副边PWM驱动控制电路集成于一副边高功率密度电源管理芯片中。
全文摘要
本发明公开了一种磁场耦合式非接触电能传输装置，其包括相互独立的电能发射部分和电能接收部分，其中，电能发射部分中原边全桥开关电路、扫频发生电路、原边开关管电流过零检测电路、原边斜坡信号发生电路、输入限流控制电路和原边PWM驱动控制电路集成在一原边高功率密度集成芯片中，电能接收部分中副边同步整流全桥开关电路、同步整流控制电路、副边开关管电流过零检测电路、副边斜坡信号发生电路、恒流/恒压控制电路和副边PWM驱动控制电路集成在一副边高功率密度集成芯片中。该装置通过初始工作时自动扫频过程以捕捉系统谐振频率点，并保证系统始终工作在谐振状态，提高电能传输效率。本发明的磁场耦合式非接触电能传输装置采用单芯片封装结构，在实现低成本的基础上，满足了高效率、高稳定性的要求。
文档编号H02J17/00GK102315698SQ20111027071
公开日2012年1月11日 申请日期2011年8月30日 优先权日2011年8月30日
发明者赵晨 申请人:杭州矽力杰半导体技术有限公司