一种无线充电电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种无线充电电路，该无线充电电路包括谐振电感的一次侧电路、谐振电感的二次侧电路和控制电路。其中谐振电感的一次侧电路包括：第一二极管全桥整流电路、高频逆变电路、谐振电感的初次侧谐振电路。谐振电感的二次侧电路包括：谐振电感L1的二次侧谐振电路、电子电容电路、第二二极管全桥整流电路、充电电池E。控制电路包括：第一电压传感器、第二电压传感器、AD转换模块电路、DSP控制电路和PWM驱动电路。本发明电路结构简单，将电子电容电路等效为一个可变的电容，根据不同的电池充电情况，实时改变电路的谐振频率，提高充电效率。
【专利说明】一种无线充电电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线充电【技术领域】，具体涉及一种利用电子电容电路的无线充电电路。
【背景技术】
[0002]所谓无线充电，即在没有电缆的情况下，靠电磁场或其他的物质进行耦合，实现电能的无线传输。无线充电利用物理学的“共振”原理一一两个振动频率相同的物体能高效传输能量。无线传输电能包括:耦合电感式、电磁谐振式和光耦合这三种常见的无线充电方式，其中电磁谐振式能达到比较高的效率，被广泛地应用到无线充电产业的各个领域。
[0003]从理论来说，无线充电技术对人体安全无害处，无线充电使用的共振原理是磁场共振，只在以同一频率共振的线圈之间传输，而其他装置无法接受波段，另外，无线充电技术使用的磁场本身就是对人体无害的。
[0004]电磁谐振式在充电效率的提高上，一直是国内专家们研究的一个重点方向，本发明在一定程度上弥补了该种方法的一些不足，提高了无线充电的效率。
[0005]随着iPhone、iPad等对电量充满“饥渴”的设备迅速兴起，研发无线充电等突破性充电技术的需求日益提高。富士通在一份声明中说:“这项技术将为手机集合紧凑型无线充电功能以及同时为多个便携式设备充电铺平道路。对多个设备充电时，设备相对于充电器的位置没有任何限制。”因此，无线充电技术有及其广阔的市场前景和应用价值。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种无线充电电路，可应用于手机电池、电动汽车车载锂离子等进行充电。
[0007]本发明通过如下技术方案实现。
[0008]一种无线充电电路，其包括:谐振电感的一次侧电路、谐振电感的二次侧电路和控制电路。其中谐振电感的一次侧电路包括:第一二极管全桥整流电路、高频逆变电路、谐振电感的初次侧谐振电路。谐振电感的二次侧电路包括:谐振电感的二次侧谐振电路、电子电容电路、第二二极管全桥整流电路、充电电池。控制电路包括:第一电压传感器、第二电压传感器、AD转换模块电路、DSP控制电路和PWM驱动电路。
[0009]输入电源AC经过第一二极管全桥整流电路后产生直流电压，再经过高频逆变电路产生高频交流电压，再通过谐振电感，能量传输到二次侧，接着经过电子电容电路追踪谐振频率，最后经过第二二极管全桥整流电路来给电池充电。控制电路通过第一电压传感器和第二电压传感器采样电压作为输入，控制电路输出的八路驱动信号控制开关管的动作达到最高的充电效率。
[0010]进一步地，第一二极管整流电路由第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管组成，整流电路对市电进行整流，其输出经过第一电容进行稳压并滤波。
[0011]进一步地，高频逆变电路由第一 IGBT开关管、第二 IGBT开关管、第三IGBT开关管和第四IGBT开关管组成。第一 IGBT开关管的集电极、第二 IGBT开关管的集电极与第一电容的正端相连，第一 IGBT开关管的发射极与第三IGBT开关管的集电极相连，第二 IGBT开关管的发射极与第四IGBT开关管的集电极相连，第三IGBT开关管的发射极、第四IGBT开关管的发射极与第一电容的负极相连；上述高频逆变电路对整流后的电压进行逆变，产生10kHz的高频交流电。
[0012]进一步地，谐振电感的初次侧谐振电路是由第三电容和谐振电感的初次侧串联组成，初次侧谐振电路的一端接在第一 IGBT开关管的发射极,初次侧第一谐振电路的另一端接在第二 IGBT开关管的发射极；谐振电感的初次侧流过正负交替的高频交变电流，以便将能量送到谐振电感的次级侧；谐振电感的二次侧谐振电路是由谐振电感的二次侧和电子电容电路串联组成。
[0013]进一步地，电子电容电路由第五IGBT开关管、第六IGBT开关管、第七IGBT开关管、第八IGBT开关管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管和第二电容组成；其中第五IGBT开关管、第六IGBT开关管、第七IGBT开关管和第八IGBT开关管的门控极均接有一路PWM驱动电路，这四路PWM驱动电路的波形两两相同，第五IGBT开关管和第八IGBT开关管的门控极所接入的PWM波形相同，第六IGBT开关管和第七IGBT开关管的门控极所接入的PWM波形相同；第五IGBT开关管的集电极、第六IGBT开关管的集电极和第二电容的正端连接；第五IGBT开关管的发射极和第七IGBT开关管的集电极极接；第七IGBT开关管的发射极、第八IGBT开关管的发射极和第二电容的负端连接；第八IGBT开关管的集电极和第六IGBT开关管的发射极连接；第五二极管、第六二极管、第七二极管和第八二极管均反并联在第五IGBT开关管、第六IGBT开关管、第七IGBT开关管和第八IGBT开关管的两端；从第五IGBT开关管的发射极和第六IGBT开关管的发射极各引出一根线作为电子电容电路的两端。
[0014]进一步地，第二二极管全桥整流电路(第九二极管、第十二极管、第十一二极管和第十二二极管)对第一谐振电路二次侧的电压进行整流，输出经过第四电容，得到的电压给电池充电。
[0015]进一步地，第一电压传感器和第二电压传感器分别并联第一电容和第三电容的两侦U。采样得到的电压作为AD转换模块电路的输入。AD转换模块电路是由一款精度较高的运算放大器组成的两个求和电路，将采样得到的电压转换到O — 3.3V，以便于DSP芯片的信号处理。
[0016]进一步地，DSP控制电路是由一款DSP芯片及外围电路组成的，AD转换模块电路输出的电压经过DSP控制电路的采样来产生八路未经驱动的PWM波形，八路未经驱动的PWM波形经过PWM驱动电路后，分别送到指定IGBT开关管的门控极，控制上述IGBT开关管的通断。
[0017]进一步地，DSP控制电路是由一款DSP芯片组成的控制电路，DSP控制电路对第一电压传感器和第二电压传感器采样得到的电压进行一定的比例换算后，得到的数值来产生八路不同占空比的PWM波形。
[0018]进一步地，PWM驱动电路是由分立元件组成的八路相同的驱动电路，将上述的八路不同占空比的PWM波形经过上述八路驱动电路，得到PWMl—PWM8，分别驱动第一 IGBT开关管至第八IGBT开关管。
[0019]电路工作时，首先经过第一二极管整流电路将交流电AC整流并滤波，接着经过高频逆变电路产生高频电压，经过谐振电感的一次侧和二次侧电路，高频电压传递到二次侧。在电子电容的作用下，可通过控制电子电容电路的四个开关管的动作来寻找最佳效率的电容值。最后再通过第二二极管整流电路给电池充电。
[0020]与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果:
本发明基于电磁共振和电子电容电路的等效原理，将电子电容电路等效为一个可变的电容，根据不同的电池充电情况，实时改变电路的谐振频率，提高充电效率。该电路不仅节约了经济成本，而且提高了充电效率，节约了电能，具有良好的市场前景和经济效益。该发明将大量应用到手机电池充电、电动汽车车载锂离子充电等无线充电领域。通过改进无线充电设备来提高已有的充电效率，能够产生良好的经济效益和社会效益。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是无线充电电路的谐振电感LI的一次侧电路；
图2是无线充电电路的谐振电感LI的二次侧电路；
图3是无线充电电路的控制电路；
图4是无线充电电路的系统图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步说明，但本发明的实施和保护范围不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明的内容，均是本领域技术人员可以参照现有技术实现的。
[0023]图1为无线充电电路的谐振电感LI的一次侧电路。
[0024]谐振电感LI的一次侧电路包括:第一二极管全桥整流电路、高频逆变电路、谐振电感LI的初次侧谐振电路。第一二极管全桥整流电路由第一二极管VD1、第二二极管VD2、第三二极管VD3和第四二极管VD4组成，整流电路对市电进行整流，其输出经过第一电容Cl进行稳压并滤波。
[0025]高频逆变电路由第一 IGBT开关管VT1、第二 IGBT开关管VT2、第三IGBT开关管VT3和第四IGBT开关管VT4组成。第一 IGBT开关管的集电极、第二 IGBT开关管的集电极与第一电容的正端相连，第一 IGBT开关管的发射极与第三IGBT开关管的集电极相连，第二 IGBT开关管的发射极与第四IGBT开关管的集电极相连，第三IGBT开关管的发射极、第四IGBT开关管的发射极与第一电容的负极相连；上述高频逆变电路对整流后的电压进行逆变，产生10kHz的高频交流电。
[0026]谐振电感LI的初次侧谐振电路是由第三电容C3和谐振电感LI的初次侧串联组成，初次侧谐振电路的一端接在第一 IGBT开关管的发射极,初次侧第一谐振电路的另一端接在第二 IGBT开关管的发射极；谐振电感的初次侧流过正负交替的高频交变电流，以便将能量送到谐振电感的次级侧；谐振电感LI的二次侧谐振电路是由谐振电感的二次侧和电子电容电路串联组成。
[0027]市电经过第一二极管整流电路和第一电容稳压后，得到的电压作为高频逆变电路的输入，高频化之后的输出作为谐振电路的一次侧的输入，第一电容Cl的端电压作为第一电压传感器的输入。这部分电路主要完成市电的整流和逆变，从而产生高频的交流电压，将能量由一次侧传递到二次侧。
[0028]图2为无线充电电路的谐振电感LI的二次侧电路。
[0029]谐振电感LI的二次侧电路包括:谐振电感LI的二次侧谐振电路、电子电容电路、第二二极管全桥整流电路、充电电池E。
[0030]电子电容电路由第五IGBT开关管VT5、第六IGBT开关管VT6、第七IGBT开关管VT7、第八IGBT开关管VT8、第五二极管VD5、第六二极管VD6、第七二极管VD7、第八二极管VD8和第二电容C2组成；其中第五IGBT开关管、第六IGBT开关管、第七IGBT开关管和第八IGBT开关管的门控极均接有一路PWM驱动电路，这四路PWM驱动电路的波形两两相同，第五IGBT开关管和第八IGBT开关管的门控极所接入的PWM波形相同，第六IGBT开关管和第七IGBT开关管的门控极所接入的PWM波形相同；第五IGBT开关管的集电极、第六IGBT开关管的集电极和第二电容的正端连接；第五IGBT开关管的发射极和第七IGBT开关管的集电极极接；第七IGBT开关管的发射极、第八IGBT开关管的发射极和第二电容的负端连接；第八IGBT开关管的集电极和第六IGBT开关管的发射极连接；第五二极管、第六二极管、第七二极管和第八二极管均反并联在第五IGBT开关管、第六IGBT开关管、第七IGBT开关管和第八IGBT开关管的两端；从第五IGBT开关管的发射极和第六IGBT开关管的发射极各引出一根线作为电子电容电路的两端。
[0031]第二二极管全桥整流电路(第九二极管VD1、第十二极管VD2、第十一二极管VD3和第十二二极管VD4)对谐振电路二次侧的电压进行整流，输出经过第四电容C4，得到的电压给电池充电。
[0032]充电电路通过谐振电感二次侧和电子电容组成的谐振电路，接收一次侧传递的电能。经过第二二极管全桥整流电路和第四电容后，给电池充电，第四电容C4的端电压作为第二电压传感器的输入。这部分电路主要完成电子电容电路的电容调节，从而寻找合适的谐振频率。
[0033]图3为无线充电电路的控制电路。
[0034]DSP控制电路是由一款DSP芯片及外围电路组成的，AD转换模块电路输出的电压经过DSP控制电路的采样来产生八路未经驱动的PWM波形，八路未经驱动的PWM波形经过PWM驱动电路后，分别送到指定IGBT开关管的门控极，控制上述IGBT开关管的通断。
[0035]作为实例，本领域技术人员可以通过DSP控制电路对第一电压传感器和第二电压传感器采样得到的电压进行一定的比例换算后，得到的数值来产生八路不同占空比的PWM波形。
[0036]PWM驱动电路是由分立元件组成的八路相同的驱动电路，将上述的八路不同占空比的PWM波形经过上述八路驱动电路，得到PWMl—PWM8，分别驱动第一 IGBT开关管至第八IGBT开关管。
[0037]控制电路的输入为第一电压传感器和第二电压传感器的输出，经过AD转换模块的信号调理之后，输入到DSP中处理。DSP的输出一路直接作为八路PWM驱动模块的输入，一路经过反相器之后输入到八路PWM驱动模块。八路PWM驱动模块的输出为八路PWM信号，作为各开关管的驱动信号。
[0038]图4为无线充电电路的系统图。输入电源AC经过第一二极管全桥整流电路后产生直流电压，再经过高频逆变电路产生高频交流电压，再通过谐振电感LI，能量传输到二次侦牝接着经过电子电容电路追踪谐振频率，最后经过第二二极管全桥整流电路来给电池充电。控制电路通过第一电压传感器和第二电压传感器米样电压作为输入，控制电路输出的八路驱动信号控制开关管的动作达到最高的充电效率。
[0039]由上述内容可知，本领域技术人员通过上述电路，利用电子电容电路实时跟踪充电电路的谐振点，即可实现充电的最大效率。该发明能大量应用到手机电池充电、电动汽车车载锂离子充电及其他无线充电领域。通过改进无线充电设备来提高已有的充电效率，能够产生良好的经济效益和社会效益。
【权利要求】
1.一种无线充电电路，其特征在于包括:谐振电感的一次侧电路、谐振电感的二次侧电路和控制电路；其中谐振电感的一次侧电路包括:第一二极管全桥整流电路、高频逆变电路、谐振电感的初次侧谐振电路；谐振电感的二次侧电路包括:谐振电感的二次侧谐振电路、电子电容电路、第二二极管全桥整流电路、充电电池；控制电路包括:第一电压传感器、第二电压传感器、AD转换模块电路、DSP控制电路和PWM驱动电路；输入电源AC通过第一二极管全桥整流电路产生直流电压，再经过高频逆变电路产生高频交流电压，通过谐振电感的初次侧，将能量传输到谐振电感的二次侧，接着经过电子电容电路追踪谐振频率，最后经过第二二极管全桥整流电路来给电池充电；控制电路通过第一电压传感器和第二电压传感器采样电压作为输入，控制电路输出的八路驱动信号控制开关管的动作达到最高的充电效率。
2.根据权利要求1所述的一种无线充电电路，其特征在于，第一二极管整流电路由第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管组成，整流电路对市电进行整流，其输出经过第一电容进行稳压并滤波。
3.根据权利要求1所述的一种无线充电电路，其特征在于，高频逆变电路由第一IGBT开关管、第二 IGBT开关管、第三IGBT开关管和第四IGBT开关管组成；第一 IGBT开关管的集电极、第二 IGBT开关管的集电极与第一电容的正端相连，第一 IGBT开关管的发射极与第三IGBT开关管的集电极相连，第二 IGBT开关管的发射极与第四IGBT开关管的集电极相连，第三IGBT开关管的发射极、第四IGBT开关管的发射极与第一电容的负极相连；上述高频逆变电路对整流后的电压进行逆变，产生10kHz的高频交流电。
4.根据权利要求1所述的一种无线充电电路，其特征在于，谐振电感的初次侧谐振电路是由第三电容和谐振电感的初次侧串联组成，初次侧谐振电路的一端接在第一 IGBT开关管的发射极，初次侧第一谐振电路的另一端接在第二 IGBT开关管的发射极；谐振电感的初次侧流过正负交替的高频交变电流，以便将能量送到谐振电感的次级侧；谐振电感的二次侧谐振电路是由谐振电感的二次侧和电子电容电路串联组成。
5.根据权利要求1所述的一种无线充电电路，其特征在于，电子电容电路由第五IGBT开关管、第六IGBT开关管、第七IGBT开关管、第八IGBT开关管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管和第二电容组成；其中第五IGBT开关管、第六IGBT开关管、第七IGBT开关管和第八IGBT开关管的门控极均接有一路PWM驱动电路，这四路PWM驱动电路的波形两两相同，第五IGBT开关管和第八IGBT开关管的门控极所接入的PWM波形相同，第六IGBT开关管和第七IGBT开关管的门控极所接入的PWM波形相同；第五IGBT开关管的集电极、第六IGBT开关管的集电极和第二电容的正端连接；第五IGBT开关管的发射极和第七IGBT开关管的集电极极接；第七IGBT开关管的发射极、第八IGBT开关管的发射极和第二电容的负端连接；第八IGBT开关管的集电极和第六IGBT开关管的发射极连接；第五二极管、第六二极管、第七二极管和第八二极管均反并联在第五IGBT开关管、第六IGBT开关管、第七IGBT开关管和第八IGBT开关管的两端；从第五IGBT开关管的发射极和第六IGBT开关管的发射极各引出一根线作为电子电容电路的两端。
6.根据权利要求1所述的一种无线充电电路，其特征在于，第二二极管全桥整流电路对谐振电路二次侧的电压进行整流，输出经过第四电容，得到的电压给电池充电。
7.根据权利要求1所述的一种无线充电电路，其特征在于，第一电压传感器和第二电压传感器分别并联第一电容和第三电容的两侧；采样得到的电压作为AD转换模块电路的输入；AD转换模块电路是由运算放大器组成的两个求和电路，将采样得到的电压转换到0—3.3V，以便于DSP芯片的信号处理。
8.根据权利要求1所述的一种无线充电电路，其特征在于，DSP控制电路是由DSP芯片及外围电路组成的，AD转换模块电路输出的电压经过DSP控制电路的采样来产生八路未经驱动的PWM波形，八路未经驱动的PWM波形经过PWM驱动电路后，分别送到指定IGBT开关管的门控极，控制上述IGBT开关管的通断。
9.根据权利要求1所述的一种无线充电电路，其特征在于，DSP控制电路对第一电压传感器和第二电压传感器采样得到的电压进行比例换算后，得到的数值来产生八路不同占空比的PWM波形。
10.根据权利要求1所述的一种无线充电电路，其特征在于，PWM驱动电路是由分立元件组成的八路相同的驱动电路，将八路不同占空比的PWM波形经过上述八路驱动电路，得到PWMl—PWM8，分别驱动第一 IGBT开关管至第八IGBT开关管。
【文档编号】H02J7/00GK104333067SQ201410610254
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月31日 优先权日:2014年10月31日
【发明者】康龙云, 陈凌宇, 黄志臻 申请人:华南理工大学