磁耦合谐振式无线电能传输的能量主动注入式发射装置的制作方法

本发明涉及无线电能传输领域，尤其涉及一种用于磁耦合谐振式无线电能传输能量主动注入式发射装置。

背景技术：

传统的接触式电能传输存在线路老化漏电、接触火花，过热燃烧等缺点，且在一些特殊场合如海底供，人造器官供电，这些缺点将带来极大的安全隐患。而无线电能传输与传统的接触式电能传输相比具备移动灵活、环境适应力强、无需统一物理接口等特点，得到了广泛关注和应用。国内外提出了很多无线电能传输技术的实现方式，如电磁感应式、磁耦合谐振式、激光、微波等。其中磁耦合谐振式无线电能传输具备传输距离远、对传输介质依赖小、方向性要求不高等优势，是当前的研究热点。磁耦合谐振式无线电能传输之所以能进行高效、远距离传输取决于在发射端的高频激励下，系统是否工作在谐振状态。因此要求激励源除了具备较大功率的驱动能力外，还具备较高的输出频率，且需与系统谐振频率相适应。

传统的半桥和全桥逆变电路成熟、可靠，在工频领域早已进入市场化，功率等级可以做到几十千瓦，但逆变频率必须与开关频率保持一致，受器件高频特性限制，大功率的半桥和全桥逆变电路频率一般在几十千赫兹以下，且随着功率的增加，提高频率的难度越大，难于满足磁耦合谐振式无线电能传输对发射端高频激励的需求；采用E类放大器可以得很高的输出频率，但功率比较小，且功率开关管的电压应力较大，不适用于大功率场合；采用功率逐级放大的方式可以获得兆赫兹级别的大功率电源，但每级都有阻抗匹配要求，电路结构复杂，设计难度大；电容三点式振荡电路输出频率高，结构简单，易于实现，但振荡电路的效率较低，且振荡频率不易调节。总之，虽然有许多有益的拓扑结构被提出，用做磁耦合谐振式无线电能传输发射端的高频逆变环节，但实际效果都不是很理想，难于满足大功率、高频、高效率的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于磁耦合谐振式无线电能传输能量主动注入式发射装置，以解决现有的无线充电发射端受器件高频特性限制难于实现大功率，低开关损耗的高频变流问题。

本发明的技术解决方案是：磁耦合谐振式无线电能传输的能量主动注入式发射装置，包括一个耦合电感、两个箝位二极管D₁、D₂、一个续流二极管D₃、一个功率开关管S₁、一个缓冲电容C_b、一个谐振电容C_p和一个发射线圈L_p；

耦合电感的原边绕组L₁的一端与电源V_in的正极和所述第一箝位二极管D₁的阳极相连；所述耦合电感的原边绕组L₁的另一端与所述第二箝位二极管D₂的阳极和所述续流二极管D₃的阳极相连；所述续流二极管D₃的阴极与所述第一箝位二极管D₁的阴极和耦合电感的副边绕组L₂的一端相连；所述耦合电感的副边绕组L₂的另一端与所述第二箝位二极管D₂的阴极、所述功率开关管S₁的漏极、所述缓冲电容C_b的一端和所述发射线圈L_p的一端相连；所述发射线圈L_p的另一端与所述谐振电容C_p的一端相连；所述谐振电容C_p的另一端与所述缓冲电容C_b的另一端、所述功率开关管S₁的源极和电源V_in的负极相连。

在一较佳实施例中：所述功率开关管为零电压开通和零电压关断。

在一较佳实施例中：所述能量主动注入式发射装置在一个能量转换周期有三个工作模式：前端能量整形模式、缓冲端能量注入模式和发射端自由谐振模式；

前端能量整形模式：功率开关管S₁开通，耦合电感通过第一箝位二极管D₁和第二箝位二极管D₂进行储能，获得可调控的电流源；

缓冲端能量注入模式：功率开关管S₁关断，电源V_in和耦合电感通过续流二极管D₃将能量注入缓冲电容C_b；

发射端自由谐振模式：功率开关管S₁开通，发射线圈L_p和谐振电容C_p通过功率开关管S₁自由谐振。

本发明提供的一种用于磁耦合谐振式无线电能传输的能量主动注入式发射装置，通过控制功率开关管，整个逆变器可以分为前端能量收集、缓冲端能量注入和发射端自由谐振三个工作模式。前端能量收集和发射端自由谐振相互独立，实现了解耦，谐振频率由电路实时参数决定，即自适应谐振，摆脱了现有无线充电系统中逆变器的开关频率需等于谐振频率的约束，且谐振频率可为开关频率的数倍，实现低开关频率下的高频逆变；同时，由于缓冲电容的存在，功率开关管可以实现零电压开通与零电压关断，降低了开关损耗。整个变流器结构简单，控制方便，电路中无能量损耗元件，具有较高的转换效率。

附图说明

图1为一种能量主动注入式发射装置电路图。

图2为一种能量主动注入式发射装置的各开关模态等效电路图。

图3为一种能量主动注入式发射装置关键波形图。

具体实施方式

下面通过结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

参见图1，本发明提供的一种用于磁耦合谐振式无线电能传输的能量主动注入式发射装置，包括一个耦合电感、两个箝位二极管D₁、D₂、一个续流二极管、一个功率开关管S₁、一个缓冲电容C_b、一个谐振电容C_p和一个发射线圈L_p；

耦合电感的原边绕组L₁的一端与所述电源V_in的正极和所述第一箝位二极管D₁的阳极相连；所述耦合电感的原边绕组L₁的另一端与所述第二箝位二极管D₂的阳极和所述续流二极管D₃的阳极相连；所述续流二极管D₃的阴极与所述第一箝位二极管D₁的阴极和耦合电感的副边绕组L₂的一端相连；所述耦合电感的副边绕组L₂的另一端与所述第二箝位二极管D₂的阴极、所述功率开关管S₁的漏极、所述缓冲电容C_b的一端和所述发射线圈L_p的一端相连；所述发射线圈L_p的另一端与所述谐振电容C_p的一端相连；所述谐振电容C_p的另一端与所述缓冲电容C_b的另一端、所述功率开关管S₁的源极和电源负极相连。

所述一种能量主动注入式发射装置电路主要有三个工作模态，如图2所示，其中Z_t为接收端回路则算到发射端的等效阻抗，其换流过程分析如下：

模态1[t₀t₁]:如图2(a)所示，在该模态下，开关管S₁保持开通，二极管D₃反向偏置。电源V_in给耦合电感的原边绕组L₁和副边绕组L₂充电，耦合电感的电流线性上升。谐振电容C_p和发射线圈L_p通过开关管S₁自由谐振，向负载传输能量。

模态2[t₁t₂]:如图2(b)所示，在t₁时刻，开关管S₁断开，由于此时缓冲电容C_b两端的电压为0，开关管S₁实现了零电压关断，箝位二极管D₁和D₂反向偏置，续流二极管D₃正向偏置。由于发射线圈L_p的楞次作用，能量大部分流向缓冲电容C_b，即电源V_in，耦合电感的原边绕组L₁和副边绕组L₂给缓冲电容C_b充电。与此同时，C_b-L_p-C_p形成一个新的谐振网络，缓冲电容C_b的能量通过该网络向发射端转移。通过合理设置缓冲电容C_b的容值，使其与谐振电容C_p和发射线圈L_p匹配，缓冲电容C_b储存的能量将在半个谐振周期以内全部转移到发射端。

模态3[t₂t₃]:在t₂时刻，缓冲电容C_b的能量全部转移到发射端，其电容电压下降为0，此时，开关管S₁的体二极管正向偏置，谐振电容C_p和发射线圈L_p通过开关管S₁的体二极管自由谐振，向负载传输能量。为实现开关管S₁的零电压开通，以及避免能量重新流入缓冲电容C_b，应在谐振电流i_Lp方向如图2(c)所示，且电流方向反向之前，即t₃时刻，开通开关管S₁，进入下一个周期。

以上实施例仅为说明本发明原理所用，并非本发明仅有的实施方式。上述实施例并不应视为限制本发明的范围。本领域的技术人员在阅读并理解了前述详细说明的同时，可以进行修改和变化。具体的保护范围应以权利要求书为准。