一种带有下拉辅助开关的感应耦合电能传输控制方法与流程

技术领域：

本发明属于电学技术领域，涉及一种带有下拉辅助开关的感应耦合电能传输控制方法，采用辅助开关支路用于感应耦合电能的传输控制。

背景技术：

目前，感应耦合电能传输(inductivelycoupledpowertransfer，icpt)装置的主电路拓扑大多采用全桥电压型逆变电路、半桥llc电压型谐振逆变电路及lc谐振单管逆变双极性逆变电路；前两种电路拓扑存在着电路结构相对复杂，电源成本相对较高，桥臂上下开关管容易造成直通而烧坏等问题；后者是一种新型无线电能传输拓扑，具有电路简单、成本低、传输效率高、可实现零电压开通和零电压关断控制等优点，但也存在着一些缺点，当装置输入电压为220vac/50hz交流电时，其运行过程中开关管两端承受的电压高达1200v以上，致使开关管只能选用耐压较高的绝缘栅场效应晶体管(igbt)，为了减小icpt装置的体积和重量，国家标准规定开关频率需达到83khz以上，而当igbt的开关频率大于25khz以后，其损耗会随着开关频率的增加而增大，制约了icpt装置的体积和成本进一步降低，不利于这种新型icpt装置拓扑的应用推广。所以，设计一种新型的适应电路控制方法很有应用开发价值。

技术实现要素：
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本发明的目的在于克服现有技术的缺点，在现有icpt装置用lc谐振单管逆变双极性逆变电路拓扑中增加一组下拉辅助开关支路，该支路中包含一个辅助开关管，主开关管和辅助开关管的开关频率相同，均可实现软开关控制，且两管之间无直通问题，提高了可靠性；在保持原有电路优点的情况下，使开关管两端承受的电压降低到原来的2/3，使装置可以采用金属氧化物晶体管(mosfet)作为开关管，开关频率可达83khz以上，同时因辅助开关管导通时间短、功耗低，为进一步减小icpt装置的体积和重量，降低成本提供技术方案。

为了实现上述目的，本发明采用带有下拉辅助开关的感应耦合电能传输装置实现电能传输控制的方法，具体包括以下步骤：

(1)、先根据负载选择控制方式和补偿结构，若负载需要恒压供电，则切换成第一副边补偿电容，即采用原边并联副边串联(ps)的补偿结构，选择恒压控制方法；若负载需要恒流供电，则切换成第二副边补偿电容，采用原边并联副边并联(pp)的补偿结构，选择恒流控制方法；若既不选择恒压供电，也不选择恒流供电，则装置待机，直至选择供电方式；

(2)、若选择恒压供电，首先采用脉冲宽度调制(pwm)软启动，给定初始开关频率，保持开关频率不变，导通时间逐渐增加至设定值，输出电压达到设定电压，当装置输出电压不稳定时，通过脉冲频率调制(pfm)控制稳定输出电压。采样电路把检测到的输出电压信号发送给第二单片机控制电路，第二单片机控制电路根据输出电压的不同变化，通过第二无线通信电路向原边控制电路发出不同的控制信号，原边控制电路中的第一无线通信电路接收到第二无线通信电路发出的信号，再传递给第一单片机控制电路，第一单片机控制电路来调整装置的开关频率；若输出电压变大，第二单片机控制电路会通过第二无线通信电路向原边控制电路发出增加开关频率的信号；若输出电压减小，第二单片机控制电路通过第二无线通信电路向原边控制电路发出减小开关频率的信号，从而稳定装置的输出电压；当第二电压检测电路检测到钳位电容两端的电压增加，第一单片机控制电路把辅助开关管的控制信号变为高电平，辅助开关管实现零电压开通，检测主开关管是否为零电压开通，主开关管若不是零电压开通，通过pwm控制实现零电压开通，当主开关管的驱动信号由低电平变为高电平时，第一电压检测电路检测主开关管漏源两端的电压，若主开关管漏源两端的电压不为0，即没有实现零电压开通，则第一单片机控制电路减少主开关管的占空比；若主开关管漏源两端的电压为0，即实现了零电压开通，则主开关管的占空比不变；当主开关管实现零电压开通后，判断装置是否停机，若给出停机信号，则装置停止工作；若未给出停机信号，则重新检测输出电压，重复上述步骤；

(3)、若选择恒流供电，首先采用pwm软启动，即给定初始开关频率，保持开关频率不变，导通时间逐渐增加至设定值，输出电流达到设定电流；当装置的输出电流不稳定时，通过pfm控制稳定输出电流，采样电路把检测到的输出电流信号发送给第二单片机控制电路，第二单片机控制电路根据输出电流的变化，通过第二无线通信电路向原边控制电路发出不同的控制信号，原边控制电路中的第一无线通信电路接收到第二无线通信电路发出的信号，再传递给第一单片机控制电路，第一单片机控制电路调整装置的开关频率；若输出电流变大，第二单片机控制电路通过第二无线通信电路向原边控制电路发出增加开关频率的信号；若输出电流减小，第二单片机控制电路通过第二无线通信电路向原边控制电路发出减小开关频率的信号，从而稳定装置的输出电流；当第二电压检测电路检测到钳位电容两端的电压增加，第一单片机控制电路把辅助开关管的控制信号变为高电平，辅助开关管实现零电压开通，检测主开关管是否为零电压开通，主开关管若不是零电压开通，通过pwm控制实现零电压开通，当主开关管的驱动信号由低电平变为高电平时，第一电压检测电路检测主开关管漏源两端的电压，若主开关管漏源两端的电压不为0，即没有实现零电压开通，则第一单片机控制电路减少主开关管的占空比；若主开关管漏源两端的电压为0，即实现了零电压开通，则主开关管的占空比不变；当主开关管实现零电压开通后，判断装置是否停机，若给出停机信号，则装置停止工作；若未给出停机信号，则重新检测输出电流，重复上述步骤；整个装置通过变频+变占空比的控制方式稳定输出电压或输出电流，同时使主开关管和辅助开关管实现零电压开通，达到感应耦合电能传输调控的目的。

本发明所述带有下拉辅助开关的感应耦合电能传输装置的主体结构包括第一整流桥、l1c1滤波电路、谐振耦合电路、主开关管、第一二极管、下拉辅助开关支路、第二整流桥、第二滤波电容、等效负载、原边控制电路和副边控制电路；220vac经第一整流桥、l1c1滤波电路后转换成直流电压，主开关管、第一二极管和下拉辅助开关支路将直流电逆变成高频交流电，高频交流电施加在谐振耦合电路中原边电感的两端，谐振耦合电路中副边电感两端感应出电压，副边电感两端电压经第二整流桥、第二滤波电容后转换成直流电，为等效负载供电；第一整流桥将工频交流电进行整流；l1c1滤波电路由滤波电感和第一滤波电容串联组成，用于工频滤波；谐振耦合电路由原边补偿电容、原边屏蔽层、原边电感、副边电感、副边屏蔽层、第一副边补偿电容或第二副边补偿电容电连接组成，用于将能量从原边传递到副边，从而为负载供电，原边电感和副边电感之间的互感随原边电感和副边电感之间的传输距离而变化；原边屏蔽层和副边屏蔽层用于提高装置耦合系数和提高传输效率，减弱原边电感和副边电感对原、副边电路板的电磁干扰；第一副边补偿电容和第二副边补偿电容能够互相切换，若切换成第一副边补偿电容，则原边补偿电容和第一副边补偿电容组成原边并联副边串联(ps)补偿结构输出表现为恒压源，适用于需要恒压供电的设备，若切换成第二副边补偿电容，则原边补偿电容和第二副边补偿电容组成原边并联副边并联(pp)补偿结构输出表现为恒流源，适用于需要恒流供电的设备；主开关管、第一二极管和下拉辅助开关支路用于实现电能逆变，第一二极管为主开关管的反并联二极管；辅助开关管、第二二极管和钳位电容按照电学原理进行电连接组成下拉辅助开关支路，用于降低主开关管漏源两端的电压，其中第二二极管为辅助开关管的反并联二极管；辅助开关管和主开关管开关频率相同，辅助开关管和主开关管的导通存在死区，辅助开关管的导通时间短，导通损耗较小；第二整流桥用于把高频交流电进行整流，第二滤波电容用于高频滤波，等效负载为容性负载或感性负载；原边控制电路包括第一单片机控制电路、驱动电路、第一辅助电源、第一无线通信电路、第一电压检测电路、遥控器、第二电压检测电路，原边控制电路使主开关管和辅助开关管实现零电压开通控制，并使装置输出电压稳定或输出电流稳定，其中，第一单片机控制电路根据第一无线通信电路接收到的通信信号、第一电压检测电路检测到的主开关管的电压信号及第二电压检测电路检测到的钳位电容的电压信号，分别输出主开关管和辅助开关管的控制信号，控制信号经驱动电路隔离放大后驱动主开关管和辅助开关管；第一辅助电源为第一单片机控制电路和驱动电路供电；第一无线通信电路接收第二无线通信电路发出的反馈信号和遥控器发出的控制信号，第一无线通信电路向遥控器发射装置运行状态信号；第一电压检测电路用于检测主开关管漏源两端的电压；遥控器根据接收到的第一无线通信电路发出的装置运行状态信号，显示装置输出电压、输出电流及是否实现零电压开通；遥控器向第一无线通信电路发射控制信号，使第一单片机控制电路选择恒压控制或恒流控制；第二电压检测电路检测钳位电容两端的电压，当检测到钳位电容两端的电压增加，第一单片机控制电路把辅助开关管的控制信号变为高电平，辅助开关管实现零电压开通，当钳位电容两端的电压增加时，原边电感通过第二二极管为钳位电容充电，第二二极管导通，辅助开关管漏源两端的电压为0，辅助开关管实现零电压开通；副边控制电路由采样电路、第二单片机控制电路、第二辅助电源及第二无线通信电路组成，用于给原边控制电路发射反馈信号，采样电路检测装置的输出电压和输出电流；第二单片机控制电路根据接收到的采样电路的信号，控制第二无线通信电路向第一无线通信电路发射反馈信号；第二辅助电源为第二单片机控制电路供电。

本发明与现有技术相比，采用带有下拉辅助开关的icpt装置，具有电路结构简单、主开关管和辅助开关管具有相同的开关频率、均易于控制且都可实现零电压软开关、辅助开关管的开通时间短等特点，增加辅助开关管，其导通时间短，且可实现软开关控制，使整个装置损耗较小；增加下拉辅助开关支路，使主开关管承受的电压降低1/3,使主开关管和辅助开关管均可采用价格低、开关频率高达83khz以上的mosfet，使得开关频率符合国家标准，使得松耦合变压器的体积也相应减小，有利于应用推广；采用变频+变占空比进行控制，实现零电压开通，稳定输出电压或输出电流，提高装置的可靠性，有利于应用推广；根据不同的负载采用不同的补偿结构和相应的pwm和pfm控制方法，若负载需要恒压供电，则切换成第一副边补偿电容，即采用ps的补偿结构，同时采用恒压控制方法；若负载需要恒流供电，则切换成第二副边补偿电容，即采用pp的补偿结构，同时采用恒流控制方法。

附图说明：

图1是本发明所述带有下拉辅助开关的icpt装置的主体结构电路原理示意图。

图2是本发明实现电能传输控制的工艺流程框图。

图3是本发明所述装置的工作电信号波形图，其中ugs1为主开关管q1的驱动电压，ugs2为辅助开关管q2的驱动电压，uds1为主开关管q1漏源两端的电压，uds2为辅助开关管q2漏源两端的电压，up为原边补偿电容cp两端的电压，ip为原边电感lp的电流，uc为钳位电容cc两端的电压。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

实施例：

本实施例采用带有下拉辅助开关的icpt装置实现电能传输控制的方法，包括以下步骤：

(1)、先根据负载选择控制方式和补偿结构，若负载需要恒压供电，则切换成第一副边补偿电容cs，即采用ps的补偿结构，选择恒压控制方法；若负载需要恒流供电，则切换成第二副边补偿电容ct，采用pp的补偿结构，选择恒流控制方法；若既不选择恒压供电，也不选择恒流供电，则装置待机，直至选择供电方式；

(2)、若选择恒压供电，首先采用pwm软启动，给定初始开关频率，保持开关频率不变，导通时间逐渐增加至设定值，输出电压达到设定电压，当装置输出电压不稳定时，通过pfm控制稳定输出电压，采样电路15把检测到的输出电压信号发送给第二单片机控制电路16，第二单片机控制电路16根据输出电压的不同变化，通过第二无线通信电路18向原边控制电路6发出不同的控制信号，原边控制电路6中的第一无线通信电路11接收到第二无线通信电路18发出的信号，再传递给第一单片机控制电路8，第一单片机控制电路8来调整装置的开关频率；若输出电压变大，第二单片机控制电路16会通过第二无线通信电路18向原边控制电路6发出增加开关频率的信号；若输出电压减小，第二单片机控制电路16通过第二无线通信电路18向原边控制电路6发出减小开关频率的信号，从而稳定装置的输出电压；当第二电压检测电路14检测到钳位电容cc两端的电压增加，第一单片机控制电路8把辅助开关管q2的控制信号变为高电平，辅助开关管q2实现零电压开通，检测主开关管q1是否为零电压开通，主开关管q1若不是零电压开通，通过pwm控制实现零电压开通，当主开关管q1的驱动信号由低电平变为高电平时，第一电压检测电路12检测主开关管q1漏源两端的电压，若主开关管q1漏源两端的电压不为0，即没有实现零电压开通，则第一单片机控制电路8减少主开关管q1的占空比；若主开关管q1漏源两端的电压为0，即实现了零电压开通，则主开关管q1的占空比不变；当主开关管q1实现零电压开通后，判断装置是否停机，若给出停机信号，则装置停止工作；若未给出停机信号，则重新检测输出电压，重复上述步骤；

(3)、若选择恒流供电，首先采用pwm软启动，即给定初始开关频率，保持开关频率不变，导通时间逐渐增加至设定值，输出电流达到设定电流；当装置的输出电流不稳定时，通过pfm控制稳定输出电流，采样电路15把检测到的输出电流信号发送给第二单片机控制电路16，第二单片机控制电路16根据输出电流的变化，通过第二无线通信电路18向原边控制电路6发出不同的控制信号，原边控制电路6中的第一无线通信电路11接收到第二无线通信电路18发出的信号，再传递给第一单片机控制电路8，第一单片机控制电路8调整装置的开关频率；若输出电流变大，第二单片机控制电路16通过第二无线通信电路18向原边控制电路6发出增加开关频率的信号；若输出电流减小，第二单片机控制电路16通过第二无线通信电路18向原边控制电路6发出减小开关频率的信号，从而稳定装置的输出电流；当第二电压检测电路14检测到钳位电容cc两端的电压增加，第一单片机控制电路8把辅助开关管q2的控制信号变为高电平，辅助开关管q2实现零电压开通，检测主开关管q1是否为零电压开通，主开关管q1若不是零电压开通，通过pwm控制实现零电压开通，当主开关管q1的驱动信号由低电平变为高电平时，第一电压检测电路12检测主开关管q1漏源两端的电压，若主开关管q1漏源两端的电压不为0，即没有实现零电压开通，则第一单片机控制电路8减少主开关管q1的占空比；若主开关管q1漏源两端的电压为0，即实现了零电压开通，则主开关管q1的占空比不变；当主开关管q1实现零电压开通后，判断装置是否停机，若给出停机信号，则装置停止工作；若未给出停机信号，则重新检测输出电流，重复上述步骤；装置通过变频+变占空比的控制方式稳定输出电压或输出电流，同时使主开关管q1和辅助开关管q2实现零电压开通，达到感应耦合电能传输调控的目的。

本实施例所述带有下拉辅助开关的icpt装置的主体结构包括第一整流桥1、l1c1滤波电路2、谐振耦合电路3、主开关管q1、第一二极管dq1、下拉辅助开关支路4、第二整流桥5、第二滤波电容c2、等效负载z、原边控制电路6和副边控制电路7；220vac经第一整流桥1、l1c1滤波电路2后转换成直流电压，主开关管q1、第一二极管dq1和下拉辅助开关支路4将直流电逆变成高频交流电，高频交流电施加在谐振耦合电路3中原边电感lp的两端，谐振耦合电路3中副边电感ls两端感应出电压，副边电感ls两端电压经第二整流桥5、第二滤波电容c2后转换成直流电，为等效负载z供电；第一整流桥1的两端分别与220vac和l1c1滤波电路2电连接，用于把工频交流电进行整流；l1c1滤波电路2由滤波电感l1和第一滤波电容c1串联组成，用于工频滤波；谐振耦合电路3由原边补偿电容cp、原边屏蔽层sp、原边电感lp、副边电感ls、副边屏蔽层ss、第一副边补偿电容cs或第二副边补偿电容ct电连接组成，用于将能量从原边传递到副边，从而为负载供电，其中，m为原边电感lp和副边电感ls之间的互感，m随lp和ls之间的传输距离而变化；原边屏蔽层sp和副边屏蔽层ss用于提高装置耦合系数和提高传输效率，减弱原边电感lp和副边电感ls对原、副边电路板的电磁干扰；第一副边补偿电容cs和第二副边补偿电容ct能够互相切换，若切换成第一副边补偿电容cs，则原边补偿电容cp和第一副边补偿电容cs组成ps补偿结构输出表现为恒压源，适用于需要恒压供电的设备，若切换成第二副边补偿电容ct，则原边补偿电容cp和第二副边补偿电容ct组成pp补偿结构输出表现为恒流源，适用于需要恒流供电的设备；主开关管q1、第一二极管dq1和下拉辅助开关支路4用于实现电能逆变，第一二极管dq1为主开关管q1的反并联二极管。辅助开关管q2、第二二极管dq2和钳位电容cc按照电学原理进行电连接组成下拉辅助开关支路4，用于降低主开关管q1漏源两端的电压，其中第二二极管dq2为辅助开关管q2的反并联二极管；辅助开关管q2和主开关管q1开关频率相同，辅助开关管q2和主开关管q1的导通存在死区，辅助开关管q2的导通时间短，辅助开关管q2的导通损耗较小；第二整流桥5用于把高频交流电进行整流，第二滤波电容c2用于高频滤波，等效负载z为容性负载或感性负载；原边控制电路6包括第一单片机控制电路8、驱动电路9、第一辅助电源10、第一无线通信电路11、第一电压检测电路12、遥控器13、第二电压检测电路14，原边控制电路6使主开关管q1和辅助开关管q2实现零电压开通控制，并使装置输出电压稳定或输出电流稳定，其中，第一单片机控制电路8根据第一无线通信电路11接收到的通信信号、第一电压检测电路12检测到的主开关管q1的电压信号及第二电压检测电路14检测到的钳位电容cc的电压信号，分别输出主开关管q1和辅助开关管q2的控制信号，控制信号经驱动电路9隔离放大后驱动主开关管q1和辅助开关管q2；第一辅助电源10为第一单片机控制电路8和驱动电路9供电；第一无线通信电路11接收第二无线通信电路18发出的反馈信号和遥控器13发出的控制信号，第一无线通信电路11向遥控器13发射装置运行状态信号；第一电压检测电路12用于检测主开关管q1漏源两端的电压；遥控器13根据接收到的第一无线通信电路11发出的装置运行状态信号，显示装置输出电压、输出电流及是否实现零电压开通；遥控器13向第一无线通信电路11发射控制信号，使第一单片机控制电路8选择恒压控制或恒流控制；第二电压检测电路14检测钳位电容cc两端的电压，当检测到钳位电容cc两端的电压增加，第一单片机控制电路8把辅助开关管q2的控制信号变为高电平，辅助开关管q2实现零电压开通，当钳位电容cc两端的电压增加时，原边电感lp通过第二二极管dq2为钳位电容cc充电，第二二极管dq2导通，辅助开关管q2漏源两端的电压为0，辅助开关管q2，实现零电压开通；副边控制电路7由采样电路15、第二单片机控制电路16、第二辅助电源17及第二无线通信电路18组成，用于给原边控制电路6发射反馈信号，采样电路15检测装置的输出电压和输出电流；第二单片机控制电路16根据接收到的采样电路15的信号，控制第二无线通信电路18向第一无线通信电路11发射反馈信号；第二辅助电源17为第二单片机控制电路16供电。

本实施例涉及的带有下拉辅助开关的icpt装置的整体工作过程包括以下阶段：

t0-t1时段：在t0时刻，主开关管q1的驱动电压ugs1变为高电平，此时原边电感lp的电流为负，主开关管q1不导通，原边电感lp通过第一二极管dq1和第一滤波电容c1续流，主开关管q1漏源两端的电压为0，到t1时刻，原边电感lp的电流变为0，主开关管q1导通，主开关管q1实现零电压开通；

t1-t2时段：输入电压为原边电感lp充电，原边电感lp的电流逐渐增加，到t2时刻，主开关管q1的驱动电压ugs1变为低电平，主开关管q1关断；

t2-t3时段：原边补偿电容cp为原边电感lp充电，原边电感lp的电流继续增加，到t3时刻，原边补偿电容cp的电压降为0，原边电感lp的电流增加到最大；

t3-t4时段：原边电感lp反向为原边补偿电容cp充电，原边补偿电容cp的电压反向增大，原边补偿电容cp的电压加上第一滤波电容c1的电压小于钳位电容cc的电压，第二二极管dq2反向截止，到t4时刻，原边补偿电容cp的电压加上第一滤波电容c1的电压大于钳位电容cc的电压，第二二极管dq2导通；

t4-t5时段：原边电感lp同时为原边补偿电容cp和钳位电容cc充电，钳位电容cc的电压逐渐增大，到t5时刻，辅助开关管q2的驱动电压ugs2变为高电平，但原边电感lp的电流仍为正，辅助开关管q2不导通；

t5-t6时段：原边电感lp继续为原边补偿电容cp和钳位电容cc充电，第二二极管dq2导通，辅助开关管q2漏源两端的电压为0，到t6时刻，原边电感lp的电流下降为0，原边补偿电容cp的电压反向增加到最大，同时钳位电容cc的电压增加到最大，辅助开关管q2导通，辅助开关管q2实现零电压开通；

t6-t7时段：原边补偿电容cp和钳位电容cc同时为原边电感lp反向充电，到t7时刻，辅助开关管q2的驱动电压ugs2变为低电平，辅助开关管q2关断，钳位电容cc停止为原边电感lp充电；

t7-t8时段：原边补偿电容cp的电压降低，原边电感lp的电流减小，到t8时刻，原边补偿电容cp的电压变为0；

t8-t9时段：原边电感lp为原边补偿电容cp反向充电，原边补偿电容cp的电压逐渐增加，到t9时刻，原边补偿电容cp的电压增加到与第一滤波电容c1的电压相等；

t9-t10时段：原边电感lp通过第一二极管dq1和第一滤波电容c1续流，到t10时刻，主开关管q1的驱动电压ugs1变为高电平，此时原边电感lp的电流为负，主开关管q1不导通。