一种高频大功率无线输电系统的制作方法

本发明涉及无线电能传输的技术领域，尤其是指一种高频大功率无线输电系统。

背景技术：

无线电能传输系统中高频逆变电源一直是研究的热点问题，常见的高频逆变电源有E类逆变器、D类逆变器、全桥逆变电路。E类逆变器由于其有较高的电压应力，因而常用在小功率场合。在功率较大的运用场合中常用D类逆变器、全桥逆变电路，在高频中，上管的驱动需要添加自举或隔离电路以达到和下管驱动的地隔离的目的，这无疑增加了整个逆变器的设计难度，且上下桥臂中两个开关管因电磁干扰误触发而同时导通，开关管上流过很大的电流，从而烧毁开关管，因而D类逆变器、全桥逆变电路的工作频率受到很大的限制。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种结构合理可靠、控制简单的高频大功率无线输电系统，系统的工作频率可达MHz以上，在实际应用中，可根据需求设计相应功率等级和频率。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种高频大功率无线输电系统，包括逆变器部分、发射部分、接收部分和负载；所述逆变器部分包括直流电压源、第一扼流线圈、第二扼流线圈、第一开关管、第二开关管、第一谐振电感、第一谐振电容、第二谐振电感、第二谐振电容、第一开关管并联电容、第二开关管并联电容，所述发射部分包括发射线圈、第一电容，所述接收部分包括接收线圈、第二电容，所述接收部分将接收到的电能传送到负载；其中，所述直流电压源的负极分别与第一开关管的源极、第一谐振电容的一端、第一电容的一端、第二开关管的源极、第二谐振电容的一端、第二开关管并联电容的一端相连，所述直流电压源的正极和第一扼流圈的一端相连，所述第一扼流圈的另一端分别与第二扼流线圈的一端、第一开关管的漏极、第一谐振电感的一端、第一开关管并联电容的另一端、第一电容的一端相连，所述第一谐振电感的另一端和第一谐振电容的另一端相连，所述第一电容的另一端和发射线圈的一端相连，所述发射线圈的另一端分别与第二扼流线圈的另一端、第二开关管的漏极、第二谐振电感的另一端、第二开关管并联电容的另一端相连，所述谐振电感的另一端和第二谐振电容的另一端相连，所述接收线圈的一端和第二电容的一端相连，所述第二电容的另一端和负载的一端相连，所述负载的另一端和接收线圈的另一端相连。

所述逆变器部分工作在最优状态时，满足零电压开通和零电压导数开通的条件；所述第一开关管、第二开关管有相同的占空比，它们驱动相位差为180度。

所述逆变器部分的工作频率、发射部分的谐振频率和接收部分的谐振频率相同。

所述频率范围为0.5MHz～50MHz。

所述第一谐振电感和第一谐振电容的谐振频率为2倍的开关管频率，所述第二谐振电感和第二谐振电容的谐振频率为2倍的开关管频率。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、逆变器部分中开关管两端并联了一个LC支路，LC在两倍开关管频率处谐振，为电路的二次谐波提供通道，因而可以降低开关管的电压应力。

2、逆变器部分的开关管是共源极的，因而其对应的开关管的驱动设计简单。

3、当设计合适的电路参数可以使得逆变器部分工作在零电压开通和零电压导数开通，使得逆变器部分有较高的效率。

因此，本发明的逆变器部分很适合作为无线电能传输系统中大功率高频逆变电源。

附图说明

图1为本发明系统的电路图。

图2为单管逆变器的电路图。

图3为本发明系统的仿真图。

图4为本发明系统的仿真波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例所提供的高频大功率无线输电系统，包括逆变器部分(作为无线输电系统的高频功率源)、发射部分、接收部分和负载R_L2；所述逆变器部分包括直流电压源u_DC、第一扼流线圈L_F1、第二扼流线圈L_F2、第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第一谐振电感L_M1、第一谐振电容C_M1、第二谐振电感L_M2、第二谐振电容C_M2、第一开关管并联电容C_F1、第二开关管并联电容C_F2，所述发射部分包括发射线圈L₁、第一电容C₁，所述接收部分包括接收线圈L₂、第二电容C₂，所述接收部分将接收到的电能传送到负载R_L2；其中，所述直流电压源u_DC的负极分别与第一开关管Q₁的源极、第一谐振电容C_M1的一端、第一电容C_F1的一端、第二开关管Q₂的源极、第二谐振电容C_M2的一端、第二开关管并联电容C_F2的一端相连，所述直流电压源u_DC的正极和第一扼流圈L_F1的一端相连，所述第一扼流圈L_F1的另一端分别与第二扼流线圈L_F2的一端、第一开关管Q₁的漏极、第一谐振电感L_M1的一端、第一开关管并联电容C_F1的另一端、第一电容C₁的一端相连，所述第一谐振电感L_M1的另一端和第一谐振电容C_M1的另一端相连，所述第一电容C₁的另一端和发射线圈L₁的一端相连，所述发射线圈L₁的另一端分别与第二扼流线圈L_F2的另一端、第二开关管Q₂的漏极、第二谐振电感L_M2的另一端、第二开关管并联电容C_F2的另一端相连，所述谐振电感L_M2的另一端和第二谐振电容C_M2的另一端相连，所述接收线圈L₂的一端和第二电容C₂的一端相连，所述第二电容C₂的另一端和负载R_L2的一端相连，所述负载R_L2的另一端和接收线圈L₂的另一端相连。

逆变器部分工作在最优状态时，满足零电压开通和零电压导数开通的条件，工作频率范围为0.5MHz～50MHz，且逆变器部分的工作频率、发射部分的谐振频率和接收部分的谐振频率相同。第一开关管Q₁、第二开关管Q₂有相同的占空比，它们驱动相位差为180度。第一谐振电感L_M1和第一谐振电容C_M1的谐振频率为2倍的开关管频率，第二谐振电感L_M2和第二谐振电容C_M2的谐振频率为2倍的开关管频率。

逆变器部分和单管逆变器的设计相同，只需将开关管的并联电容加倍即可，而单管逆变器的电路如图2所示，其具体参数设计分析如下：

设流过负载的峰值电流为i_RL1，初始相位为则可以写出负载电流的表达式如下：

在开关管开通和关断的一个周期中，令开关管导通的时间为0≤ωt＜2πD，开关管断开的时间为2πD≤ωt＜2π。

当开关管导通，即0≤ωt＜2πD时，由KCL方程可得流过开关管的电流为：

i_Q(ωt)＝i_DC-i_M(ωt)-i_RL1(ωt) (2)

当开关管导通时，流过此网络的电流为：

将式(3)带入(2)中可得：

当开关管关断,即2πD≤ωt＜2π时，流过谐振网络L_MC_M的电流为：

i_M(ωt)＝i_DC-i_RL1(ωt)-i_CF(ωt) (5)

式(5)中电容C_F的电流：

开关管关断时，谐振网络L_MC_M的端电压等于开关管两端的电压：

对式(7)左右两边同时微分：

结合式(5)、式(6)和式(8)可得：

解得式(9)的通解如式(10)所示：

令式中式(10)化简如下：

由式(9)和式(11)可得通过电容C_F的电流为：

由式(6)和(12)可得开关管的漏极电压为：

根据输入电感上的电压伏秒面积平衡，可知扼流圈电感压降的直流分量为零，可知开关管漏极电压的平均值等于直流电压源电压，对式(13)求平均值可得：

由式(14)，并对开关管的漏极电压做归一化处理，可得：

为了保证整个逆变器的高效运行，逆变器需要满足ZVS和ZVDS条件，由式(12)和式(13)可得：

u_Q(2π)＝0 (16)

i_CF(2π)＝0 (17)

由式(3)和式(11)，可得在一个周期内，流过电感L_M的电流表达式如下：

边界条件由开关开通和关断时，电流和电压连续性条件决定，即

i_M(2πD^-)＝i_M(2πD⁺) (19)

i_M(0)＝i_M(2π) (20)

因只考虑开关管漏级电压的基波和三次谐波，令式(13)中的解得k＝1.25。

开关管的电压应力可通过式(12)确定：

基于电路的稳定性、开关管的电压应力和电流应力等因数考虑，选取占空比为D＝0.4。结合式(16)、(17)和(19)～(22)可得相应的参数:A₁＝-1.15,A₂＝-0.47,B₁＝-0.11,B₂＝-1.28,I_RL1/i_DC＝2.87。

将上述参数带入式式(16)可得：

假设直流侧的功率全部传送到负载中，由功率守恒：

结合式(24)和式(25)可得：

由式(26)和I_RL1/i_DC＝2.87,可得电容C_F的计算如下：

因为结合式(27)，则电容C_M的计算如下：

电感L_M和电容C_M组成一个谐振网络，谐振频率为两倍的开关频率，结合式(28)，则电感L_M的计算如下：

开关管漏极电压经过L_S和C_S谐振网络，仅有基波成分通过，即输出的阻抗部分可以由开关管漏极电压的基波成分得到，输出阻抗的实部和输出电流同相和输出阻抗的虚部和输出电流正交:

对开关管的电压进行傅里叶分析：

电感L_X可由下式计算得到：

将式(30)带入式(31)中得：

电容C_S的可通过下式确定：

Q_L为负载品质因数，一般选取为5～20。

电感L_S与电容C_S谐振，谐振频率为开关频率，电感L_S的计算如下:

扼流线圈电感L_F要求足够大以抑制直流侧的纹波电流，扼流线圈电感L_F的一般满足：

根据以上的分析设计。这里给出一组高频大功率无线输电系统样例，直流电压u_DC＝20V，开关频率f＝1MHz，占空比D＝0.4，接收线圈的自感L₂＝40μH,接收线圈的内阻R₂＝0.1Ω，负载R_L2＝100Ω，电容C₂＝633.25PF,将负载折算到发射端得R_L1＝6.31Ω，逆变器部分的扼流线圈L₁＝L₂＝150μH，谐振电感L_M1＝L_M2＝1.44μH，谐振电容C_M1＝C_M2＝4.398nF，开关管并联电容C_F1＝C_F2＝7.037nF，电感Ls+L_X＝10.04μH,电容C_S＝2.981nF，将电感L_S和L_X合并到发射线圈中，可设计发射线圈的自感L₁＝50.04μH，发射线圈的内阻R₁＝0.12Ω，C₁＝3.614nF，根据以上参数可建立逆变器部分无线电能传输PSIM仿真如图3所示，得到相应的仿真结果如图4所示，从图4可以看出两个开关管满足了软开关的要求。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。