一种用于无线电能传输的高倍频逆变电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种用于无线电能传输的高倍频逆 变电路。
【背景技术】
[0002] 随着现代信息技术的飞速发展，越来越多的移动设备、便携设备和植入设备在人 们生活中获得广泛应用，这些产品包括在消费电子领域的手机、笔记本电脑，医疗仪器领域 的植入式医疗设备以及电动汽车等。然而，这些可移动设备的供电问题是当今需要解决的 重要问题之一。传统的有线输电方式存在电线摩擦、老化等问题，影响用电设备的寿命和用 电安全。此外，有线方式不能满足一些特殊应用场合的需要，如植入式医疗设备的充电。无 线电能传输方式可以很好地解决这些问题，由于其利用电磁场耦合进行无线输电，不仅省 去电线和插座，还使得电能利用更加灵活、宽广。
[0003] 无线电能传输主要有三种基本方式：电磁感应耦合方式、非辐射磁共振耦合方式、 微波福射方式。微波福射方式，在功率较大时会对人体和生物造成伤害而具有很大的局限 性。因此，电磁感应耦合方式和非辐射磁共振耦合方式是无线电能传输的主要实现方式。这 两种方式在具体实现时，均需要将直流电源通过高频逆变器转化为高频交流电，再经由无 线电能发射电路进行电能发射。
[0004] 高频逆变电路产生的交流电频率，决定无线电能传输的品质因数。通常，频率越 高，品质因数越大，传输效率越高。传统桥式逆变电路受限于功率半导体器件的开关频率， 输出交流电频率等于开关频率。而开关频率受限于开关损耗和半导体器件的物理极限，不 能任意增大。所以，无线电能传输的品质因数和效率受到工作频率无法大幅提高的限制。
[0005]
【发明内容】
[0006] 针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种用于无线电能传输的高 倍频逆变电路，能够在开关频率不变的情况下，输出开关频率n倍频的交流电，避免了现有 高频逆变电路在倍频数n很大时，驱动脉冲占空比过小而导致开关管无法正常输出脉冲的 问题。
[0007] -种用于无线电能传输的高倍频逆变电路，包括：
[0008] 两个幅值相等的直流电压源El~E2;其中，直流电压源El的负极与直流电压源 E2的正极相连并接地，直流电压源El的正极与直流电压源E2的负极之间产生直流电压；
[0009] n组相互并联的开关桥臂；所述的开关桥臂由两个开关管串联组成，其利用所述 的直流电压通过开关动作产生方波功率信号，所述的两个开关管串联后连接于直流电压源 El正极与直流电压源E2负极之间；n为预设的目标倍频数且为奇数；
[0010] 控制电路，用于为n组开关桥臂对应提供n对开关驱动信号；
[0011] 由n个电感组成的电感器，用于将n路方波功率信号进行叠加倍频，产生一路n倍 频的方波功率信号；所述电感的一端与对应开关桥臂中两个开关管的串联接点相连，各电 感的另一端共连并作为电感器的公共接点；
[0012] 谐振电容器，用于与所述的电感器进行串联谐振，并对n倍频的方波功率信号中 的基波分量进行提取及放大，得到一路n倍频的正弦功率信号用以通过耦合无线传输；所 述谐振电容器的一端与电感器的公共接点相连，另一端接地。
[0013] 进一步地，所述的控制电路由DSP和驱动模块组成，所述的驱动模块将DSP产生的 n对开关驱动信号进行功率放大后，对应提供给n组开关桥臂。
[0014] 进一步地，所述的开关驱动信号为占空比为1/2的方波信号。
[0015] 进一步地，相邻两对开关驱动信号的相位差为2 JT /n，每对开关驱动信号内的两个 开关驱动信号的相位差为JT。
[0016] 进一步地，所述开关桥臂产生的方波功率信号的占空比为1/2,相邻两个开关桥臂 产生的方波功率信号的相位差为2 /n。
[0017] 进一步地，所述的谐振电容器与电感器发生串联谐振，其谐振频率为n倍频的方 波功率信号的基波频率，等效谐振电阻为线路以及电感的内阻，谐振电感值为L/n，L为电 感的感值。
[0018] 本发明叠加倍频的原理如下：
[0019] 开关桥臂中点产生的n个占空比为1/2的方波功率信号，相位相差2 JT/n，n为奇 数；n个方波功率信号的傅立叶级数形式为：
[0024] 其中：xn为第n个方波功率信号，E为方波幅值，即直流电压源幅值，《 ^为方波功 率信号的基波角频率；
[0025] 由于每路开关桥臂的输出电感器均要与其他n-1个并联电感器进行分压，每路开 关桥臂中点的方波功率信号作用于电感器公共接点的有效方波幅值衰减为原幅值的1/n， 表示为：
[0027] 其中：xn'为第n个开关桥臂作用于电感器公共接点的有效方波幅值；
[0028] 设所有n路开关桥臂作用于电感器公共接点处有效方波的叠加和为y，根据傅立 叶级数形式可知，叠加和y仅保留了有效方波的n的奇数倍次谐波，消掉了其他次谐波，得 到n倍频的方波功率信号，表示为：
[0030] n倍频的方波功率信号作用于谐振电容器上，由于谐振电容器与n个并联的电感 在n〇V频率点发生串联谐振，谐振电容两端放大并提取出n倍频方波功率信号的基波分 量，即5倍频的正弦功率信号，表示为：
[0033] 其中：u。为谐振电容两端电压，A为串联谐振的电压放大系数，C为谐振电容值，R 为串联谐振的等效谐振电阻。
[0034] 本发明的有益技术效果在于：
[0035] (1)本发明通过多桥臂移相的方式，生成具有一定相位差的方波功率信号并进行 叠加输出，基于傅立叶级数分析，实现了逆变输出频率为开关频率的n倍（n为奇数）的效 果，从而解决了传统桥式逆变电路的输出频率受限于开关频率的问题。
[0036] (2)与现有高频逆变电路相比，本发明基于频域的傅里叶分解和叠加原理实现高 倍频输出，采用了不同的拓扑连接，保证了在任意倍频数n下驱动脉冲占空比均为1/2,避 免了现有高频逆变电路在倍频数n很大时，驱动脉冲占空比过小而导致开关管无法正常输 出脉冲的问题。
[0037] (3)本发明应用于无线电能传输的输入端时，由于其输出交流频率可以大大提高， 因而可以增大无线电能传输系统的品质因数，进而提高电能传输效率；同时，也可在实现既 定品质因数的条件下，减小无线电能传输系统中的电感器、电容器的体积。
[0038] (4)本发明由于采用多路桥臂实现方波功率信号的生成，在输出功率一定时，降 低了每路桥臂NMOS管的电流应力，因此可以选择容量更小的NMOS管，降低对功率半导体器 件的要求；同时，相同的功率分配到多路桥臂，避免了热损耗的集中，使得散热更加均匀。
【附图说明】
[0039] 图1为本发明高倍频逆变电路的结构示意图。
[0040] 图2为五倍频逆变电路的电路原理图。
[0041] 图3(a)~图3(e)分别为五倍频逆变电路中5个桥臂的中点电压波形示意图。
[0042] 图3(f)为五倍频逆变电路的输出电压波形示意图。
【具体实施方式】
[0043] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及【具体实施方式】对本发明的技术方案 进行详细说明。
[0044] 如图1和图2所示，本发明用于无线电能传输的高倍频逆变电路，包括两个幅值为 E的直流电压源、控制电路101、n个开关桥臂102、n个电感器103、谐振电容器104 ;其中， n为目