一种适用于无线充电的移相全桥软开关逆变电路的制作方法

本发明涉及一种适用于无线充电的移相全桥软开关逆变电路，该电路属于零电压零电流开关(zvzcs)全桥pwmdc-ac变换技术领域。

背景技术：

无线充电是一种新兴的充电技术，它具有非接触、使用方便、安全性高、环境适应性强、便于自动控制等优点，是传统接触式充电的有力竞争者。目前无线充电已经在小功率的电子设备供电和大功率的电动汽车充电等方面得到应用，世界各国诸多研究者正致力于推动这项技术的更广泛应用。

逆变电路是无线充电系统中的核心部件之一，它的作用在于给发射端输入交变电压，在发射线圈中产生交变电流，使得接收端能够通过电磁感应产生电压，从而实现给负载供电。移相控制是逆变电路的一种控制方法，一条桥臂的上下开关器件开通和关断状态互补，通过改变两条桥臂的导通相位差来控制输出方波的占空比，从而改变基波电压幅值。移相角为0度时，两条桥臂驱动信号相位差为180°，此时基波电压幅值最大。使其中一条桥臂的驱动信号相位滞后，该桥臂被称为滞后臂，另一条桥臂则被称为超前臂。理论上基波电压幅值最小可以为0。

在无线充电系统中，耦合线圈部分的输入阻抗为弱感性。对于超前臂来说，电流相位滞后于电压，如果是硬开关，则开关器件面临的主要挑战是高电压上升率。对于滞后臂来说，电流相位超前于电压，开关器件面临的挑战更严峻，既有高电压上升率，又有高电流上升率。过高的电压上升率和电流上升率有可能使得器件工作在安全工作区之外，增加开关损耗，降低系统效率，并且会产生严重的电磁干扰问题。软开关电路的作用就是抑制器件开关瞬间的电压变化率和电流变化率，从而起到对器件的保护作用。

经过几十年的发展，软开关技术已经比较成熟，目前有很多种软开关电路已经得到理论和实践的检验。对于无线充电所用的逆变电路来说，电压等级不高，系统对可靠性的要求高，软开关电路不宜太复杂，否则会增加成本并降低效率，也会导致故障出现的概率增加。本发明所使用的辅助软开关器件只有电感、电容和二极管，并且采用两条桥臂不对称设计，最大程度地减少器件数量，降低系统复杂度。本发明对无线充电移相全桥逆变电路的设计具有重要参考价值。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种适用于无线充电的移相全桥软开关逆变电路，利用软开关电路对开关器件进行保护，降低开关损耗，提高系统可靠性。

本发明所述逆变电路包括第一金属氧化物半导体场效应晶体管、第二金属氧化物半导体场效应晶体管、第三金属氧化物半导体场效应晶体管、第四金属氧化物半导体场效应晶体管、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一二极管、第二二极管；第一金属氧化物半导体场效应晶体管和第二金属氧化物半导体场效应晶体管在一条桥臂上，第三金属氧化物半导体场效应晶体管和第四金属氧化物半导体场效应晶体管在另一条桥臂上，两条桥臂构成全桥逆变电路的主体，第一金属氧化物半导体场效应晶体管和第三金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极连接到直流母线正电压端，第二金属氧化物半导体场效应晶体管和第四金属氧化物半导体场效应晶体管的源极连接到直流母线负电压端；其特征在于，第一电感和第二电感串联后插入第一金属氧化物半导体场效应晶体管和第二金属氧化物半导体场效应晶体管之间，这两个电感的公共点为逆变电路输出点之一；第一电感的另一端和第一金属氧化物半导体场效应晶体管的源极连接，第二电感的另一端和第二金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极连接；第一二极管的阴极和第一金属氧化物半导体场效应晶体管的源极连接，第一电容两端分别和第一二极管的阳极和第一金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极连接；第二二极管的阳极和第二金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极连接，阴极和第一二极管的阳极连接；第二电容两端分别和第二二极管的阴极和第二金属氧化物半导体场效应晶体管的源极连接；第三金属氧化物半导体场效应晶体管的源极和第四金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极连接；第三电容的两端和第三金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极和源极连接；第四电容的两端和第四金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极和源极连接；第三电容和第四电容的公共点为逆变电路的另一输出点。

如上所述一种适用于无线充电的移相全桥软开关逆变电路，其中：第一电容和第二电容的电容值相等。

如上所述一种适用于无线充电的移相全桥软开关逆变电路，其中：第一电感和第二电感的电感值相等。

如上所述一种适用于无线充电的移相全桥软开关逆变电路，其中：第三电容和第四电容的电容值相等。

本发明的有益效果是：

软开关电路结构简单，在全桥逆变电路基础上增加的元器件数量少。移相工作状态下，软开关电路有效地抑制了滞后臂开关器件的电压上升率和电流上升率，抑制了超前臂开关器件的电压上升率，起到了很明显的保护效果，辅助元器件本身的功耗非常小，逆变电路的整体效率得到提高。

附图说明

图1适用于无线充电的移相全桥软开关逆变电路结构示意图；

图2移相全桥软开关逆变电路在无线充电系统中的位置示意图；

图3本发明的逆变电路移相控制波形示意图；

图4至图9本发明的逆变电路换流过程示意图。

具体实施方式

参照附图，下面详细叙述本发明的具体实施方式。

如图1，给出了适用于无线充电的移相全桥软开关逆变电路结构示意图。本实施方式包括第一金属氧化物半导体场效应晶体管(q1)、第二金属氧化物半导体场效应晶体管(q2)、第三金属氧化物半导体场效应晶体管(q3)、第四金属氧化物半导体场效应晶体管(q4)、第一电感(l1)、第二电感(l2)、第一电容(c1)、第二电容(c2)、第三电容(c3)、第四电容(c4)、第一二极管(d1)、第二二极管(d2)；第一金属氧化物半导体场效应晶体管(q1)和第二金属氧化物半导体场效应晶体管(q2)在一条桥臂上，第三金属氧化物半导体场效应晶体管(q3)和第四金属氧化物半导体场效应晶体管(q4)在另一条桥臂上，两条桥臂构成全桥逆变电路的主体，第一金属氧化物半导体场效应晶体管(q1)和第三金属氧化物半导体场效应晶体管(q3)的漏极连接到直流母线正电压端，第二金属氧化物半导体场效应晶体管(q2)和第四金属氧化物半导体场效应晶体管(q4)的源极连接到直流母线负电压端；其特征在于，第一电感(l1)和第二电感(l2)串联后插入第一金属氧化物半导体场效应晶体管(q1)和第二金属氧化物半导体场效应晶体管(q2)之间，这两个电感的公共点为逆变电路输出点之一；第一电感(l1)的另一端和第一金属氧化物半导体场效应晶体管(q1)的源极连接，第二电感(l2)的另一端和第二金属氧化物半导体场效应晶体管(q2)的漏极连接；第一二极管(d1)的阴极和第一金属氧化物半导体场效应晶体管(q1)的源极连接，第一电容(c1)两端分别和第一二极管(d1)的阳极和第一金属氧化物半导体场效应晶体管(q1)的漏极连接；第二二极管(d2)的阳极和第二金属氧化物半导体场效应晶体管(q2)的漏极连接，阴极和第一二极管(d1)的阳极连接；第二电容(c2)两端分别和第二二极管(d2)的阴极和第二金属氧化物半导体场效应晶体管(q2)的源极连接；第三金属氧化物半导体场效应晶体管(q3)的源极和第四金属氧化物半导体场效应晶体管(q4)的漏极连接；第三电容(c3)的两端和第三金属氧化物半导体场效应晶体管(q3)的漏极和源极连接；第四电容(c4)的两端和第四金属氧化物半导体场效应晶体管(q4)的漏极和源极连接；第三电容(c3)和第四电容(c4)的公共点为逆变电路的另一输出点。

下面说明本移相全桥软开关逆变电路的换流过程。

如图2，给出了无线充电系统的主要组成环节，以及逆变器在其中的位置。

如图3，给出了逆变电路移相控制的电压和电流波形。一般在无线充电系统中，逆变电路所接负载对高次谐波表现出很高的阻抗，因此逆变电路输出电流非常接近基波频率的正弦波。由于移相控制，输出电压在每个周期中都有两段为0，这就对基波电压幅值进行了控制。可以看出，对于滞后臂来说电流相位超前于电压，而对于超前臂来说电流相位滞后于电压。

如图4，给出了逆变电路输出电流经过q4和q2反并联二极管的运行状态，对应于图3的[t1,t2]时间段。

如图5，给出了t2时刻q1开通之后的各个支路电流。流经q2反并联二极管的电流换流到q1，c2被充电，c1被放电，l1和l2流经的电流增加，滞后臂输出点的电位升高。在这个过程中，l1和l2串联后的等效电感与c1和c2并联后的等效电容谐振。由于电感和电容的存在，流经q1的电流上升率和q2两端的电压上升率得到限制。

如图6，给出了滞后臂输出点电位升高到ud之后电感电流通过二极管续流的工作状态。

如图7,给出了电感电流衰减到0之后的工作状态，换流过程完成，对应于图3中[t2,t3]时间段的大部分。

如图8，给出了t3时刻q4关断之后的各个支路电流。c4被充电，c3被放电，超前臂输出点的电位升高。

如图9，给出了超前臂输出点电位升高到ud之后负载电流通过q3的反并联二极管续流的工作状态，换流过程完成，对应于图3中[t3,t4]时间段的大部分。

除了以上分析的两个换流过程，实际逆变电路工作过程中还存在q1反并联二极管到q2的换流，以及q3到q4反并联二极管的换流，这两个过程和以上两个过程类似，这里不再赘述。

虽然以上描述的是应用于无线充电系统，并且开关器件为金属氧化物半导体场效应晶体管的移相全桥软开关逆变主电路，但该具体实例只是说明性的，而不是将本发明涵盖的范围局限于此。依照本发明的电路构型进行开关器件的替换、局部元器件的等效替代、应用场合的改变以及将滞后臂软开关电路应用到超前臂上得到两条桥臂对称的逆变电路，都应涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。