一种多级脉冲切换稳压电路及稳压方法

本发明涉及无线电能传输技术领域，具体涉及一种多级脉冲切换稳压电路及稳压方法。

背景技术：

传统的电能传输主要通过金属导线点对点，属于直接接触传输。这种传输方式使用电缆线作为媒介，在电能传输的过程中不可避免地产生一些问题。例如尖端放电、线路老化等因素导致的电火花，不仅会使线路损耗增大，还会大大降低供电的可靠性和安全性，且会缩短设备的寿命。在油田、钻采矿井等场合，用传统的输电方式容易由于摩擦而产生微小电火花，严重时甚至引起爆炸，造成重大事故。在水下，导线直接接触供电还有电击的危险。无线电能传输又称为无线电力传输、非接触电能传输，是指通过发射器将电能转换为其他形式的中继能量(如电磁场能、激光、微波及机械波等)，隔空传输一段距离后，再通过接收器将中继能量转换为电能，实现无线电能传输的传输方式。

在实际无线电能传输应用中，经常会出现输入电压和输出负载发生波动的情况，为了维持系统的正常运行，通常需要选择一些方法进行稳压。目前的无线电能传输装置的稳压方式通常较为复杂，且需要额外的硬件电路，同时存在抗扰性能有限，实时性不足的缺点。

技术实现要素：

针对现有无线电能传输装置的稳压方式存在的不足，本发明提出一种多级脉冲切换稳压电路及稳压方法。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种多级脉冲切换稳压电路，其特征在于：包括输入电源、调压电路、高频逆变电路、谐振耦合电路、整流滤波电路、输出负载、一次侧电流采样电路、二次侧电流采样电路、二次侧电压采样电路、无线通信模块、控制模块；

输入电源为系统提供直流电压；

调压电路调节输入电源的直流电压，并将调节后的直流电压输入至高频逆变电路；

高频逆变电路将直流电能逆变为高频交流电能，并将高频交流电能输入至谐振耦合电路原边；

谐振耦合电路通过高频电磁场将原边电能传输至副边，并由副边输入至整流滤波电路；

整流滤波电路将高频交流电能转化为直流电能，并将直流电能传输给输出负载；

一次侧电流采样电路采集调压电路电流，二次侧电流采样电路、二次侧电压采样电路分别采集整流滤波电路电流、输出负载电压，并通过无线通信模块将采集的整流滤波电路电流、输出负载电压传输至一次侧；

控制模块根据调压电路电流、传输至一次侧的整流滤波电路电流、输出负载电压生成调压电路脉冲控制信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明通过通过无线通信模块将二次侧采集的整流滤波电路电流、输出负载电压传输至一次侧，述控制模块根据调压电路电流、传输至一次侧的整流滤波电路电流、输出负载电压按照一定比例系数进行求和生成控制变量，并将控制变量与输出电压基准值进行比较，确定脉冲控制信号的频率和占空比。本发明采用多级脉冲切换技术，控制精度高，稳态误差小；系统具有良好的电网调整率和负载调整率，选择多级频率脉冲控制，系统响应速度与偏离稳态值幅度成正比；未在主电路中添加额外设备，不会影响主电路电能传输；通过给调压电路施加宽窄脉冲，控制方式简单，无需复杂的编程设置，就可以实现良好的稳压输出。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。

图1为脉冲切换技术低频输出振荡产生机理示意图；

图2为多级脉冲切换稳压电路连接拓扑图；

图3为多级脉冲切换稳压电路稳压方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据电路理论可知，影响谐振耦合电路输出电压变化的量有输入电压、线圈的耦合程度、输出负载。在实际系统运行中，通常会出现输出负载变化，线圈距离变化导致的耦合程度改变等情况，引起谐振耦合电路输出电压的变化。为了维持输出电压的恒定，可以选择调节输入电压，实现稳压输出。

如图1所示，普通脉冲切换技术控制电路时，输出电压u0波形与调压电路二极管电流id波形存在相位差，相位差使得系统的控制存在延迟，无法做到高脉冲时，输出电压上升，低脉冲时，输出电压下降。如图a点所示，输出电压u0大于输出基准值vref，电路选择低脉冲，但二极管电流id依旧大于调压电路输出电容电流ic1，因此输出电压变化趋势依旧为上升，远离输出基准值vref，这种情况就产生了输出振荡。本申请通过控制模块对一次侧电流采样信号、二次侧电流采样信号、电压采样信号按照一定比例系数进行求和，得到控制变量a，控制变量a与调压电路二极管电流id相位差很小，消除了输出振荡，提高了系统稳压性能。

如图2所示，一种多级脉冲切换稳压电路，包括输入电源、调压电路、高频逆变电路、谐振耦合电路、整流滤波电路、输出负载、一次侧电流采样电路、二次侧电流采样电路、二次侧电压采样电路、无线通信模块、控制模块。输入电源为系统提供直流电压。调压电路调节输入电源的直流电压，并将调节后的直流电压输入至高频逆变电路。高频逆变电路将直流电能逆变为高频交流电能，并将高频交流电能输入至谐振耦合电路原边。谐振耦合电路通过高频电磁场将原边电能传输至副边，并由副边输入至整流滤波电路。整流滤波电路将高频交流电能转化为直流电能，并将直流电能传输给输出负载。一次侧电流采样电路采集调压电路电流，二次侧电流采样电路、二次侧电压采样电路分别采集整流滤波电路电流、输出负载电压，并通过无线通信模块将采集的整流滤波电路电流、输出负载电压传输至一次侧。控制模块根据调压电路电流、传输至一次侧的整流滤波电路电流、输出负载电压生成调压电路脉冲控制信号。

调压电路包括输入电容c1、n沟道型mosfetq1、磁环电感l1、输出电容c2、快恢复二极管vd1，输入电容c1并联在输入电源vin两端，起输入电源vin滤波和吸收mosfet脉动电流的作用，n沟道型mosfetq1漏极与输入电容c1相连，n沟道型mosfetq1源极与磁环电感l1第一端相连，mosfetq1导通时，输入电源vin给磁环电感l1充能，mosfetq1关断时，磁环电感l1将存储的电能输出。快恢复二极管vd1负极分别与n沟道型mosfetq1源极和磁环电感l1第一端相连，快恢复二极管vd1正极与输出电容c2负极相连，在mosfetq1关断时，快恢复二极管vd1给磁环电感l1提供续流回路。磁环电感l1第二端、输出电容c2正极分别与电源vin负极相连，起输出滤波的作用。调压电路输出电压公式如下所示：

其中，vin为调压电路输入电压，vo为调压电路输出电压，d为调压电路控制脉冲的占空比。

高频逆变电路包括四个n沟道型mosfetq2、q3、q4、q5构成的桥式电路，q2漏极分别与快恢复二极管vd1正极和q4漏极相连，q2源极与q3漏极相连，q4源极与q5漏极相连，q3源极、q5源极分别与电源vin负极相连。高频逆变电路工作时，q2和q5同时导通，q3和q4同时导通，两组mosfet交替导通。调压电路输出的直流电通过高频逆变电路逆变为高频交流电。

谐振耦合电路包括原边谐振电容c3、副边谐振电容c4、原边耦合电感l2、副边耦合电感l3，原边谐振电容c3第一端连接在q2源极与q3漏极之间，原边谐振电容c3第二端与原边耦合电感l2第一端相连，原边耦合电感l2第二端连接在q4源极与q5漏极之间；副边谐振电容c4第一端与副边耦合电感l3第一端相连，副边谐振电容c4第二端、副边耦合电感l3第二端分别与整流滤波电路相连。原、副边谐振电容均选择高频性能良好的高压薄膜电容，原、副边耦合电感由多股利兹线缠绕而成。高频逆变电路输出的高频交流电经过谐振耦合电路，耦合电感感应高频电磁场，电能通过高频电磁场进行无线传输。

整流滤波电路包括四个二极管d1、d2、d3、d4构成的桥式电路和滤波电容c5，d1负极与d3负极相连，d2正极与d4正极相连，d1正极与d2负极相连，d3正极与d4负极相连，副边谐振电容c4第二端连接在d3正极与d4负极之间，副边耦合电感l3第二端连接在d1正极与d2负极之间，滤波电容c5第一端分别与d1负极和d3负极相连，滤波电容c5第二端分别与d2正极与d4正极相连。从谐振耦合电路无线传输得到的高频交流电通过整流滤波电路变为直流电。输出负载r3并联在滤波电容c5两端。

一次侧电流采样电路包括第一电流互感器，第一电流互感器一次侧串联在输出电容c2正极与电源vin负极之间，第一电流互感器二次侧与控制模块输入端相连。一次侧电流采样电路对输出电容c2所在支路进行电流采样。

二次侧电流采样电路包括第二电流互感器，第二电流互感器一次侧串联在滤波电容c5第二端与d4正极之间，第二电流互感器二次侧通过无线通信模块与控制模块输入端相连。二次侧电流采样电路对滤波电容c5所在支路进行电流采样。

二次侧电压采样电路包括第一电阻r1、第二电阻r2、电压跟随器，输出负载r3两端之间设有串联的第一电阻r1、第二电阻r2，电压跟随器输入端连接在第一电阻r1、第二电阻r2之间，电压跟随器输出端通过无线通信模块与控制模块输入端相连，无线通信模块选择nrf24l01无线通信模块。二次侧电压采样电路对第二电阻r2两端电压进行电压采样。

如图3所示，本发明还提供一种多级脉冲切换稳压电路进行稳压的方法：

s1：一次侧电流采样电路对输出电容c2所在支路进行电流采样，二次侧电流采样电路对滤波电容c5所在支路进行电流采样，二次侧电压采样电路对第二电阻r2两端电压进行电压采样；

s2：一次侧电流采样信号传输至控制模块，二次侧电流采样信号、电压采样信号通过无线通信模块传输至控制模块，无线通信模块采用nrf24l01模块，可以实现2.4ghz的电磁波通信，二次侧是无线通信发送模块，一次侧是无线通信接收模块。控制模块选择stm32系列的单片机芯片，控制模块将三种采样信号按照一定比例系数进行求和，得到控制变量a，即：

a＝uo+αic1+βic2

其中，uo为系统二次侧电压采样信号，ic1为一次侧电流采样信号，ic2为二次侧电流采样信号，α、β均为比例系数；

s3：控制模块将控制变量a与输出电压基准值vref进行比较，确定脉冲控制信号的频率和占空比：

当a∈(0，0.7vref]时，发送脉冲1，脉冲控制信号频率为50khz，占空比0.7，输出电压快速上升；

当a∈(0.7vref，vref]时，发送脉冲2，脉冲控制信号频率为30khz，占空比0.6，输出电压逐渐上升；

当a∈(vref，1.3vref]时，发送脉冲3，脉冲控制信号频率为30khz，占空比0.4，输出电压逐渐下降；

当a∈(1.3vref，+∞)时，发送脉冲4，脉冲控制信号频率为50khz，占空比0.3，输出电压快速下降。

控制模块依据输入变量a的大小输出相对应的脉冲，完成本次控制，如果系统持续运行，本次控制结束后，控制模块将按照相同流程进行下一次控制。在特定工况情况下，系统输出达到稳定，控制模块以调制周期为单位，循环输出固定的脉冲数列，不同的工况对应不同的脉冲数列。多级脉冲切换技术要求调制周期小于调压电路开关周期，这样可以实现良好的稳压性能。

本发明通过无线通信模块将二次侧采集的整流滤波电路电流、输出负载电压传输至一次侧，控制模块根据调压电路电流、传输至一次侧的整流滤波电路电流、输出负载电压按照一定比例系数进行求和生成控制变量，并将控制变量与输出电压基准值进行比较，确定脉冲控制信号的频率和占空比。本发明采用多级脉冲切换技术，控制精度高，稳态误差小；系统具有良好的电网调整率和负载调整率，选择多级频率脉冲控制，系统响应速度与偏离稳态值幅度成正比；未在主电路中添加额外设备，不会影响主电路电能传输；通过给调压电路施加宽窄脉冲，控制方式简单，无需复杂的编程设置，就可以实现良好的稳压输出。