专利名称：定增益自激式非接触谐振变换器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于非接触电能传输系统中的定增益自激式非接触谐振变换器及其控制方法，属于电能变换领域。
背景技术：
非接触供电是基于磁场耦合实现“无线供电”的新型电能传输模式，利用原副边完全分离的非接触变压器，通过高频磁场的耦合传输电能，使得能量传递过程中供电侧和用电侧无物理连接。与传统的接触式供电相比，非接触供电使用方便、安全，无火花及触电危险，无积尘和接触损耗，无机械磨损和相应的维护问题，可适应多种恶劣天气和环境，便于实现自动供电。非接触供电技术因其特有的恶劣环境适应性、高安全性、少维护和方便性， 在手机、机器人、人体植入设备、电动汽车等移动设备的供电场合，在油田、矿井、水下供电等环境恶劣或者易燃易爆场合均已得到了应用。
非接触电能传输中供电侧和受电侧一般都可相对运动，引起变换器中的核心部件——非接触变压器的气隙等结构参数的变化以及其耦合系数、漏感、激磁电感等电参数的变换。与其它功率变换器相比，非接触变换器不仅负载变化，主电路参数也不固定，因此非接触谐振变换器的控制除了要满足一般变换器的要求(如高效、高功率密度等)，还应保证变负载及非接触变压器变参数条件下的可靠控制。
目前非接触变换器现有的控制方法为他控方式，主要有变频、恒频脉宽调制 (Pulse Width Modulation, PWM)及锁相环控制(Phase Lock Loop, PLL)三种。G. B. Joung, B. H. Cho. An energy transmission system for an artificial heart using leakage inductance compensation of transcutaneous transformer[J]. IEEE Trans. Power Electronics, 1998，13(6) : 1013 - 1022就应用变频控制完成一个60W的非接触变换器。由于非接触变压器漏感大、激磁电感小，为了提高变换效率和输出电压增益，非接触谐振变换器需要在原副边均加入补偿网络。高阶谐振网络谐振频率多解性所决定的频率分叉现象和输出特性的非单调，使得变频控制方式下的变换器容易失稳；PWM控制可以避免失控问题，对于谐振变换器却容易丢失软开关条件，影响变换效率；Qianhong Chen, Siu Chung Wong, Chi K. Tse, Xinbo Ruan, "Analysis, Design and Control of a Transcutaneous Power Regulator for Artificial Hearts，，，IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, 2009, 3 (1) : 23-31 所采用的脉宽调制(PWM)加锁相控制(PLL)的控制策略，在变负载及变耦合系数条件下能够实现高效、可靠控制，但是PWM 环和PLL环路耦合，系统控制结构复杂，优化设计困难，且锁相环还存在跟踪调节速度较慢，入锁困难、容易失锁等问题，无法实时响应非接触电能变换应用场合经常出现的非接触变压器参数的变化。
相对他控方式，自激控制控制实现简单，还可直接利用变换器本身的电路特征转换为开关管的驱动信号，可以快速响应于变换器的参数变化，但是却存在输出增益变化大、 输出电压不稳定的问题。
如何实现变负载及变耦合系数条件下，非接触变换器能快速响应、可靠控制并能保证输出电压稳定，成为非接触变换器领域设计和研究的难点。发明内容
本发明的目的是为了保证非接触变换器在变负载及变耦合系数条件下的可靠控制和输出电压基本稳定。克服上述现有非接触变换器他控方式不利于对变换器的参数变化作出快速响应的不足，结合自激控制简单、可快速响应变换器参数变化的优点，提出一种适用于非接触电能传输系统中的定增益自激式非接触谐振变换器及其控制策略，使变换器自激工作于输出电压增益与负载无关的增益交点处，保证变负载时输出稳定和对变压器参数变化的实时响应。
本发明提供一种适用于非接触电能传输系统中的定增益自激式非接触谐振变换器及其控制方法。
本发明的目的是通过以下方案实施的一种定增益自激式非接触谐振变换器，它包括自激式非接触谐振变换器主电路(1)、副边电流检测电路⑵及驱动信号产生电路⑶；所述非接触谐振变换器主电路⑴由输入直流源、自激启动电路、逆变桥、原边谐振网络、非接触变压器、副边谐振网络、整流及滤波电路顺次串联而成；所述副边电流检测电路⑵采用多种电流检测方式，其特征在于所述被测电流根据谐振变换器的补偿方式设定对于串/串、并/串补偿电路检测非接触变压器的副边电流，对于串/并补偿电路检测副边整流桥的输入电流；所述驱动电路⑶由非接触反馈电路G)、相位补偿电路(5)、过零比较器(6)及隔离放大电路(7)组成。
其中，非接触谐振变换器(1)中的逆变桥采用半桥变换器或全桥变换器电路拓扑。
其中，非接触谐振变换器(1)中的自激启动电路采用适于三极管器件的基极电阻启动电路或者阻、容、二极管启动电路。
所述副边电流检测电路( 采用电流互感器、分流器或霍尔传感器多种电流检测方式。
其中，驱动信号产生电路(3)中的非接触反馈电路由磁隔离反馈、光耦隔离反馈、红外隔离反馈、蓝牙无线信号传输多种方式实现；所述驱动信号产生电路(3)中的相位补偿电路( 和过零比较器(6)由硬件或者软件方式实现。
所述驱动信号产生电路(3)由硬件或者软件方式实现，硬件实现方法具体为采用运算放大器实现相位补偿，通过调整其外围参数补偿驱动信号延迟及主电路寄生电阻导致的相位差，保证被测电流信号与逆变桥桥臂中点的方波信号同相；用硬件比较器实现过零比较；上述相位补偿电路( 和过零比较器(6)，其位置可以互换。
其中隔离放大电路(7)中的放大电路采用图腾柱放大电路或具有泵升电路功能的驱动芯片。
一种定增益自激式非接触谐振变换器的控制方法，其特征在于 包括以下步骤自激式非接触谐振变换器主电路(1)中的自激启动电路工作，驱动开关管，电路启动， 副边产生电流；副边电流检测电路⑵检测被测电流；非接触反馈电路⑷将副边电流检测电路⑵得到的电流检测信号，从副边反馈至原边；由相位补偿电路( 补偿信号传输中引起的相位差，原边准确检测副边被测电流的相位信息；补偿后的被测电流信号经过零比较器(6)后转为驱动信号，再经隔离放大电路(7)驱动隔离和功率放大，驱动自激式非接触谐振变换器主电路(1)的开关管。
所述被测电流根据谐振变换器的补偿方式设定对于串/串、并/串补偿电路检测非接触变压器的副边电流，对于串/并补偿电路检测副边整流桥的输入电流。
本发明与现有技术相比的主要技术特点是，通过检测非接触变压器的副边电流或副边整流桥的输入电流来控制原边开关管的通断，使变换器自激工作于输出电压增益与负载无关的增益交点处；利用自激控制策略来实时响应变压器参数的变换，通过锁定在增益交点处来保证负载变化时输出稳定。适用于大多数无线供电系统。
附图1是本发明的定增益自激式非接触谐振变换器的结构框图；附图2是本发明的定增益自激式非接触谐振变换器的串/串补偿自激控制原理图，其中附图2-1、附图2-2分别是串/串补偿基波等效模型及自激控制等效电路。
附图3是本发明的定增益自激式非接触谐振变换器的串/并补偿自激控制原理图，其中附图3-1、附图3-2及附图3-3分别是串/并补偿基波等效模型、基波等效电路及自激控制等效电路。
附图4是本发明的定增益自激式非接触谐振变换器的并/串补偿自激控制原理图，其中附图4-1、附图4-2及附图4-3分别是并/串补偿基波等效模型、基波等效电路及自激控制等效电路。
附图5 13是本发明的定增益自激式非接触谐振变换器的二种实施例电路结构示意图、实验波形及负载调整率曲线。
上述附图中的主要符号名称1一自激式非接触谐振变换器主电路；2—副边电流检测电路；3—驱动信号产生电路；4一非接触反馈电路；5—相位补偿电路；6—过零比较器；7—隔离放大电路；&一逆变桥输出方波；i一副边检测电流Vi—逆变桥输出方波的基波分量；副边整流桥臂中点电压的基波分量；&一副边整流桥、滤波环节及负载的等效电阻； —原边谐振电容副边谐振电容；一变压器副边对原边的匝比；Zzi—非接触变压器的原边漏感义Z2_非接触变压器的副边漏感—非接触变压器的激磁电感 ’VJn— 输入直流电压武自激启动电阻；&一自激启动电容讽一二极管力^^一双向触发二级管啾 仏、乂 开关管而 G—开关管的驱动信号代一变压器原边匝数；Λ；—变压器副边匝数;i2—非接触变压器副边电流 外4_输出整流二极管；—输出滤波电容； 、一副边整流桥输入电流输出滤波电感武一负载义一输出电压而 C2—半桥变换器分压电容。
具体实施方式
实施例一附图1所示为定增益自激式非接触谐振变换器的结构框图，它包括非接触谐振变换器、电流信号检测及驱动电路。
首先，结合电路说明本发明中控制策略的理论基础非接触谐振变换器固定增益处副边被测电流与主电路中逆变桥桥臂中点的方波信号同相的特性当整流桥连续导通，不管采用哪一种补偿方式，其桥臂中点的电压和电流始终同相，则副边整流桥、滤波环节及负载可等效为一个线性电阻&，再将非接触变压器的漏感模型代入，即可得到三种补偿拓扑的基波等效模型，其中，z71、z72、z#分别是非接触变压器等效模型的原边漏感、副边漏感和激磁电感。
附图2-1为串/串补偿基波等效模型，当非接触变压器的原、副边漏感被完全补偿，则可简化为附图2-2，此时变换器的输出电压增益等于匝比/ ，与负载大小无关，若能使变换器自激工作于该状态，就能够保证负载变化时输出电压基本恒定。对附图2-2所示自激控制等效电路中的各分量进行分析，可以发现当电路完全补偿，则逆变桥输出电压基波 νΑβ与副边整流桥臂中点电压基波、变压器副边电流i2均同相。对于自激变频控制，由于逆变桥输出的方波电压^与其基波电压Vm同相，故^与i2同相。这说明，当电路满足阻抗匹配条件时，通过检测副边电流i2来控制逆变桥的开关，保证^与/2同相，就可以使变换器工作在完全补偿对应的频率点，则输出电压增益与负载无关。保证&与、同相的自激控制方法为对、进行过零检测，当i2>0时，控制原边开关管使^>0 ；当i2<0时，控制原边开关管使&<0。
电路具体工作过程如下自激式非接触谐振变换器主电路1中的自激启动电路工作，驱动开关管，电路启动，副边产生电流；副边电流检测电路2检测被测电流；非接触反馈电路4将副边电流检测电路2得到的电流检测信号，从副边反馈至原边； 由相位补偿电路5补偿信号传输中引起的相位差，原边准确检测副边被测电流的相位 fn息；补偿后的被测电流信号经过零比较器(6)后转为驱动信号，再经隔离放大电路7驱动隔离和功率放大，驱动自激式非接触谐振变换器主电路1的开关管。
附图3-1为串/并补偿基波等效模型。其中，非接触变压器等效模型可看作一个四变量端口网络，根据线性网络的互易性，它可以等效为附图3-2所示的三变量端口网络。 且满足
权利要求
1.一种定增益自激式非接触谐振变换器，它包括自激式非接触谐振变换器主电路 (1)、副边电流检测电路⑵及驱动信号产生电路⑶；所述非接触谐振变换器主电路⑴ 由输入直流源、自激启动电路、逆变桥、原边谐振网络、非接触变压器、副边谐振网络、整流及滤波电路顺次串联而成；所述副边电流检测电路( 采用多种电流检测方式，其特征在于所述被测电流根据谐振变换器的补偿方式设定对于串/串、并/串补偿电路检测非接触变压器的副边电流，对于串/并补偿电路检测副边整流桥的输入电流；所述驱动电路(3)由非接触反馈电路G)、相位补偿电路(5)、过零比较器(6)及隔离放大电路(7)组成。
2.如权利要求1所述的定增益自激式非接触谐振变换器，其特征在于所述非接触谐振变换器(1)中的逆变桥采用半桥变换器或全桥变换器电路拓扑。
3.如权利要求1所述的定增益自激式非接触谐振变换器，其特征在于所述非接触谐振变换器(1)中的自激启动电路采用适于三极管器件的基极电阻启动电路或者阻、容、二极管启动电路。
4.如权利要求1、2或3所述的定增益自激式非接触谐振变换器，其特征在于所述副边电流检测电路( 采用电流互感器、分流器或霍尔传感器多种电流检测方式。
5.如权利要求4所述的定增益自激式非接触谐振变换器，其特征在于所述驱动信号产生电路⑶中的非接触反馈电路⑷由磁隔离反馈、光耦隔离反馈、红外隔离反馈、蓝牙无线信号传输多种方式实现；所述驱动信号产生电路(3)中的相位补偿电路( 和过零比较器(6)由硬件或者软件方式实现。
6.如权利要求5所述的定增益自激式非接触谐振变换器，其特征在于所述驱动信号产生电路(3)由硬件或者软件方式实现，硬件实现方法具体为采用运算放大器实现相位补偿，通过调整其外围参数补偿驱动信号延迟及主电路寄生电阻导致的相位差，保证被测电流信号与逆变桥桥臂中点的方波信号同相；用硬件比较器实现过零比较；上述相位补偿电路(5)和过零比较器(6)，其位置可以互换。
7.如权利要求1所述的定增益自激式非接触谐振变换器，其特征在于所述隔离放大电路(7)中的放大电路采用图腾柱放大电路或具有泵升电路功能的驱动芯片。
8.一种定增益自激式非接触谐振变换器的控制方法，其特征在于包括以下步骤自激式非接触谐振变换器主电路(1)中的自激启动电路工作，驱动开关管，电路启动， 副边产生电流；副边电流检测电路⑵检测被测电流；非接触反馈电路(4)将副边电流检测电路(2)得到的电流检测信号，从副边反馈至原边；由相位补偿电路(5)补偿信号传输中引起的相位差，原边准确检测副边被测电流的相位信息；补偿后的被测电流信号经过零比较器(6)后转为驱动信号，再经隔离放大电路(7)驱动隔离和功率放大，驱动自激式非接触谐振变换器主电路(1)的开关管。
9.根据权利要求8定增益自激式非接触谐振变换器的控制方法，其特征在于所述被测电流根据谐振变换器的补偿方式设定对于串/串、并/串补偿电路检测非接触变压器的副边电流，对于串/并补偿电路检测副边整流桥的输入电流。
全文摘要
本发明公开一种定增益自激式非接触谐振变换器及其控制方法，属电能变换领域。它包括自激式非接触谐振变换器主电路、副边电流检测电路及驱动信号产生电路。根据谐振变换器的补偿方式设定被测电流对于串/串、并/串补偿电路检测非接触变压器的副边电流，对于串/并补偿电路检测副边整流桥的输入电流；由副边电流检测电路检测被测电流，通过驱动信号产生电路将检测信号隔离反馈至原边并进行相位补偿来准确检测副边被测电流的相位信息。根据所发现的非接触谐振变换器固定增益处副边被测电流与主电路(1)中逆变桥桥臂中点方波信号同相的特性，将测得的副边电流信号转换为主电路的驱动信号，来实现自激控制。一方面可实时响应非接触变压器的参数变化，同时还能保证负载变化时非接触谐振变换器的输出稳定。
文档编号H02J17/00GK102522900SQ20111036802
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者任小永, 曹玲玲, 阮新波, 陈乾宏 申请人:南京航空航天大学