一种高效率e类谐振型磁耦合无线能量传输系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种高效率E类谐振型磁耦合无线能量传输系统，包括耦合电感线圈Ls1和Ls2、谐振电容Cs1和Cs2、E类逆变电路及E类整流电路；Ls1的一端接地，Ls1的另一端与Cs1的一端相连，Cs1的另一端与E类逆变电路相连；Ls2的一端接地，Ls2的另一端与Cs2的一端相连，Cs2的另一端与E类整流电路相连；其中，E类逆变电路包括直流供电电源Vdc、厄流线圈Lf、开关管M1、与M1并联的电容Cf；Lf的一端与直流供电电源相连，Lf的另一端与开关管M1的一端相连；开关管M1的一端与Cs1相连，M1的另一端接地。本发明借鉴E类功率放大技术，相比于传统D类谐振结构，能够在保证ZVS的同时，保持ZDS，因而相对于D类功放结构E类谐振对负载变化不敏感，更容易在大范围内提高效率。
【专利说明】
一种高效率E类谐振型磁耦合无线能量传输系统
技术领域
[0001]本发明属于电子电力技术领域，尤其涉及一种谐振型高效率无线能量传输系统。
【背景技术】
[0002]磁耦合谐振型无线能量传输系统核心架构如附图1所示，通过两个电感线圈Lsl和Ls2的耦合，实现电能的传输。由于线圈漏感的存在使得直接耦合状态下，传输的功率和效率都很低，所以将电感线圈与电容串联形成谐振，构成谐振型无线能量传输系统以提高效率和功率。附图1中，‘为输入的交流源，Lsl和Ls2为耦合的电感线圈，Csl和Cs2为谐振电容，Rsl和Rs2为谐振回路的内阻，亂为输出等效负载电阻。但核心架构仅完成高频下“交流-交流”的传输，不适合常规“直流-直流”应用。
[0003]如附图2所示，传统方案下“直流-直流”无线能量传输系统的电路拓扑电路，其中交流电压源由逆变电路提供，通常为半桥型逆变电路(包括Vdc，MdPM2);而等效负载由整流电路构成，通常为全桥整流电路(包括DpD^Lr和C。)。
[0004]半桥逆变电路和全桥整流电路的设计方法成熟，电压应力较低适合较大功率运行;也可以工作于D类谐振功率放大模式以完成零电压开通(ZVS)。但是D类谐振功率放大模式下，系统对负载的变化非常敏感，容易偏离最优工作点，此情况下效率将会有明显的下降。
【发明内容】
[0005]为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种高效率E类谐振型磁耦合无线能量传输系统，以解决传统的基于半桥逆变、全桥整流的谐振型无线能量传输系统，仅能在较窄的工作范围区间保持ZVS，而且效率较低的问题。
[0006]本发明通过如下技术方案实现:
一种高效率E类谐振型磁耦合无线能量传输系统，包括耦合电感线圈Lsl和Ls2、谐振电容CsjPCs2、E类逆变电路及E类整流电路;所述Lsl的一端接地，Lsl的另一端与Csl的一端相连，所述Csl的另一端与E类逆变电路相连;所述Ls2的一端接地，Ls2的另一端与Cs2的一端相连，所述Cs2的另一端与E类整流电路相连;其中，所述E类逆变电路包括直流供电电源Vd。、厄流线圈Lf、开关管M1、与M1并联的电容Cf;其中，所述Lf的一端与直流供电电源相连，Lf的另一端与所述开关管Mi的一端相连;所述开关管Mi的一端与Csi相连，Mi的另一端接地。
[0007]作为本发明的进一步改进，所述E类整流电路包括同步整流开关管此、与％并联电容Cr、输出厄流线圈Lr以及输出电容C。;其中，所述Lr的一端与输出电容C。的一端相连，Lr的另一端与所述开关管M2的一端相连，所述输出电容C。的另一端接地;所述开关管此的一端与CS2相连，M2的另一端接地。
[0008]作为本发明的进一步改进，所述E类逆变电路还包括驱动电路，所述驱动电路用于驱动开关管Mu
[0009 ]作为本发明的进一步改进，所述驱动电路由直流供电电源Vd。供电。
[0010]作为本发明的进一步改进，所述驱动电路由外部辅助电源供电。
[0011]作为本发明的进一步改进，所述驱动电路由外部时钟给定驱动信号。
[0012]作为本发明的进一步改进，所述E类整流电路还包括同步整流控制电路，所述同步整流控制电路用于驱动开关管M2。
[0013]作为本发明的进一步改进，所述同步整流控制电路由输出端直接取电。
[0014]作为本发明的进一步改进，所述同步整流控制电路采用对开关管M2栅极对地电压的检测来作为所述同步整流控制电路的驱动信号。
[0015]作为本发明的进一步改进，对所述E类逆变电路的电容和频率进行计算选择和调试，使E类逆变电路达到零电压开通ZVS以及零电压变化率ZDS。
[0016]本发明的有益效果是:本发明的E类谐振型无线能量传输系统，借鉴E类功率放大技术，相比于传统D类谐振结构，能够在保证零电压开通(ZVS)的同时，保持电压变化率也接近零(ZDS)，因而相对于D类功放结构E类谐振对负载变化不敏感，更容易在大范围内提高效率。利用同步整流技术改造E类逆变电路，能够有效减少二极管导通压降引起的损耗，进一步提高无线能量传输系统的效率，尤其适用于低压大电流应用的输出环境。
【附图说明】
[0017]图1是现有技术中的磁耦合谐振型无线能量传输系统电路图；
图2是传统的“直流-直流”无线能量传输系统电路图；
图3是本发明的E类谐振型磁耦合无线能量传输系统电路图；
图4是电路运彳丁时开关管Ml的基本波形图；
图5是谐振传输环节的输入电压Vdsl和输入电流181波形图；
图6是电路运行时整流开关管M2的基本波形图。
[0018]
【具体实施方式】
[0019]下面结合【附图说明】及【具体实施方式】对本发明进一步说明。
[0020]本发明的无线能量传输系统采用E类逆变及E类同步整流结构，由直流输入经“逆变电路谐振无线能量传输电路整流电路”变成直流功率输出。如附图3所示，Lsl和Ls2为耦合的电感线圈，Csl和Cs2为谐振电容，构成谐振式无线能量传输电路。直流供电电压Vd。，厄流线圈Lf，开关管M1，与开关管并联的电容Cf构成E类逆变电路，起到附图1中交流电源Uin的作用，适用于直流输入；同步整流开关管跑，并联电容Cr，输出厄流线圈Lr以及输出电容C。组成E类整流电路，起到附图1中负载电阻Rl的作用，适用于直流负载;逆变开关管M1的驱动电路由电源(或辅助源)供电，由外部时钟给定驱动信号，驱动信号通常为恒定频率和恒定50%占空比，也可以改变频率以及占空比；同步整流开关管M2的驱动电路由输出端直接取电，驱动信号则来自于对开关管跑栅极对地电压的检测。
[0021]电路运行时，逆变电路开关管M1的基本波形如附图4所示，图中Vgl为,的门极电压。由开关管漏源极电压Vdsl和漏源极电流Id1可知，电路在开通时不仅仅保证了零电压开通(ZVS)，而且此时电压变化率也接近零(ZDS)。谐振传输环节的输入电压Vdsl和输入电流151如附图5所示，Vdsj^波形虽然包括多种谐波成分，与正弦交流电压波形相差很大，但是经过Lsl和Csl的谐振选频电路，151的波形会非常接近正弦。而整流开关管跑的基本运行波形如附图6所示，图中Vg2为M2的门极电压。由开关管漏源极电压Vds2和漏源极电流Id2可知，整流电路也满足ZVS和ZDS;此外当跑处于反向导通状态时，首先其反并联二极管导通，尔后触发驱动芯片，使同步开关管跑开通，当导通电流较小时同步开关管M2关断。
[0022]本发明提出了将E类逆变电路与E类整流电路同时应用于谐振型无线能量传输系统中，还进一步将同步整流技术应用于E类整流电路中。
[0023]按照图3给出的电路结构，需满足相应的设计原则，以保证电路按照图4?6所示完成电路运行，并且获得较高的传输效率。首先谐振线圈Lsl和Ls2需要较低的谐振内阻和耦合系数，以减少谐振部分的损耗。其次逆变电路的电容和频率需要进行计算选择和调试，使E类逆变电路达到零电压开通(ZVS)以及零电压变化率(ZDS)。对于E类同步整流电路，由于开关管的开关动作会有附加的开关损耗和驱动损耗，所以需要在较低的工作频率以及低压大电流的应用场合才能体现效率优势，否则可以选择只用二极管整流。
[0024]本发明的E类谐振型无线能量传输系统，借鉴E类功率放大技术，相比于传统D类谐振结构，能够在保证零电压开通(ZVS)的同时，保持电压变化率也接近零(ZDS)，因而相对于D类功放结构E类谐振对负载变化不敏感，更容易在大范围内提高效率。利用同步整流技术改造E类逆变电路，能够有效减少二极管导通压降引起的损耗，进一步提高无线能量传输系统的效率，尤其适用于低压大电流应用的输出环境。
[0025]磁耦合谐振型无线能量传输系统，适用于0.03m~3m距离范围内电功率的高效率传输。采用E类谐振功率放大技术(包括E类逆变与E类整流技术)和同步整流技术，能够保证开关管在很宽的负载范围内保持零电压开通(ZVS)，提高效率。该技术可以广泛地应用于电动汽车，医疗产品，手持设备等的中长距离充电中。
[0026]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种高效率E类谐振型磁耦合无线能量传输系统，其特征在于:所述系统包括耦合电感线圈Lsl和Ls2、谐振电容CsjPCs2、E类逆变电路及E类整流电路;所述Lsl的一端接地，Lsl的另一端与Csl的一端相连，所述Csl的另一端与E类逆变电路相连;所述Ls2的一端接地，Ls2的另一端与Cs2的一端相连，所述Cs2的另一端与E类整流电路相连;其中，所述E类逆变电路包括直流供电电源Vdc、厄流线圈Lf、开关管M1、与见并联的电容Cf;其中，所述Lf的一端与直流供电电源相连，Lf的另一端与所述开关管Mi的一端相连;所述开关管Mi的一端与Csi相连，Mi的另一端接地。2.根据权利要求1所述的E类谐振型磁耦合无线能量传输系统，其特征在于:所述E类整流电路包括同步整流开关管M2、与跑并联电容Cr、输出厄流线圈Lr以及输出电容C。;其中，所述Lr的一端与输出电容C。的一端相连，Lr的另一端与所述开关管M2的一端相连，所述输出电容C。的另一端接地;所述开关管跑的一端与Cs2相连，112的另一端接地。3.根据权利要求1所述的E类谐振型磁耦合无线能量传输系统，其特征在于:所述E类逆变电路还包括驱动电路，所述驱动电路用于驱动开关管施。4.根据权利要求3所述的E类谐振型磁耦合无线能量传输系统，其特征在于:所述驱动电路由直流供电电源Vd。供电。5.根据权利要求3所述的E类谐振型磁耦合无线能量传输系统，其特征在于:所述驱动电路由外部辅助电源供电。6.根据权利要求3所述的E类谐振型磁耦合无线能量传输系统，其特征在于:所述驱动电路由外部时钟给定驱动信号。7.根据权利要求2所述的E类谐振型磁耦合无线能量传输系统，其特征在于:所述E类整流电路还包括同步整流控制电路，所述同步整流控制电路用于驱动开关管M2。8.根据权利要求7所述的E类谐振型磁耦合无线能量传输系统，其特征在于:所述同步整流控制电路由输出端直接取电。9.根据权利要求7所述的E类谐振型磁耦合无线能量传输系统，其特征在于:所述同步整流控制电路采用对开关管跑栅极对地电压的检测来作为所述同步整流控制电路的驱动信号。10.根据权利要求1所述的E类谐振型磁耦合无线能量传输系统，其特征在于:作为本发明的进一步改进，对所述E类逆变电路的电容和频率进行计算选择和调试，使E类逆变电路达到零电压开通ZVS以及零电压变化率ZDS。
【文档编号】H02J50/12GK105958661SQ201610290323
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月23日
【发明人】张东来, 刘明雨
【申请人】哈尔滨工业大学深圳研究生院