基于电路占空比的阻抗匹配方法与流程

本发明属于电路领域，特别涉及基于电路占空比的阻抗匹配方法。

背景技术：

wpt系统对蓄电池负载充电过程中，蓄电池等效负载会发生变动。蓄电池的充电过程可以分为多个恒流充电阶段。在每一个恒流充电阶段，电池两端电压呈曲线上升，因此随着充电过程的进行，蓄电池等效负载rl呈不断上升趋势，从而使系统等效负载偏离最优负载，导致系统传输效率下降。因此，当蓄电池两端等效负载动态变化时，必须采用阻抗匹配，维持wpt系统的高效电能传输。

为了维持次级侧的等效负载值不变，本专利采用boost阻抗变换器，通过改变boost阻抗变换器的占空比实现阻抗匹配，减小次级侧的输入等效阻抗，增大反射阻抗，提高wpt系统传输效率，适用于负载为大电压低电流、等效阻抗值较大的应用场合。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的缺点和不足，本发明提供了用于提高传输效率的阻抗匹配方法。

为了达到上述技术目的，本发明提供了基于电路占空比的阻抗匹配方法，所述方法包括：

采用boost阻抗变换器，改变boost阻抗变换器占空比实现阻抗匹配，确定等效负载与boost阻抗变换器占空比之间的关系；

对boost阻抗变换器的占空比进行调整，使等效负载维持在最优负载附近，实现wpt系统最大效率传输。

可选的，boost阻抗变换器有ccm模式和dcm模式，两种模式的工作条件为

当boost阻抗变换器工作在ccm模式时，ton+toff＝t，toff＝(1-a)t，可得ccm模式下boost阻抗变换器的输入输出电压关系为

当boost阻抗变换器工作在dcm模式时，因为有

则一个周期内电感电流的平均值il为

一个周期内boost阻抗变换器的输入电流即为电感平均电流il，则根据能量守恒定律有

由此可得dcm模式下boost阻抗变换器输入输出电压之间的关系为

可选的，dcm模式下，输出电压不仅与占空比a相关，还与电感l、mos管的工作频率f和负载阻值rl相关；

假设boost阻抗变换器没有能量损失，则有

结合上述各式，可得ccm和dcm模式下boost阻抗变换器的输入阻抗r2满足

ccm模式下，易知随着的a增大r2会减小。

dcm模式下，令λ＝α²/lf

此时

在rl一定的情况下，r2仅与λ有关，对公式四求导有

由上式可知dcm模式下r2为关于λ的单调递减函数，增加α可以减小r2。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

推导出了boost阻抗变换器在ccm和dcm模式下的阻抗变换关系，通过调节占空比使等效负载维持在最优负载附近，从而实现最大效率传输。通过调节boost阻抗变换器中mos管的占空比a可以维持r2基本不变，从而稳定系统的传输功率与效率。但若负载需要的功率变化，可以通过改变输入电压vin改变负载功率。因此，采用boost阻抗变换器，通过改变boost阻抗变换器占空比实现阻抗匹配，可以稳定wpt系统传输效率，适用于负载为大电压低电流、等效阻抗值较大的应用场合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为包含boost阻抗变换器的wpt系统基本结构图；

图2(a)为boost阻抗变换器工作在ccm模式下的电感电流波形；

图2(b)为boost阻抗变换器工作在ccmdcm模式的电感电流波形；

图3为变负载条件下wpt系统控制框图；

图4为rl分别为50、80、120、300ω时，boost输入端等效电阻r2随占空比的变化。

具体实施方式

为使本发明的结构和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的结构作进一步地描述。

实施例一

本发明提供了一种通过改变boost阻抗变换器占空比实现wpt系统最大效率传输的阻抗匹配方法，采用boost阻抗变换器，通过改变boost阻抗变换器占空比实现阻抗匹配，给出了负载变动时，稳定系统传输效率最优的占空比调节规律，实现了阻抗匹配。

在wpt系统的整流桥和负载之间加入如图1所示的虚线框内的boost阻抗变换器。该boost阻抗变换器中包括mos管d以及电感l和电容，在mos管d与电容之间设有二极管。

boost阻抗变换器有ccm模式和dcm模式，两种模式的工作条件为

当boost阻抗变换器工作在ccm模式时，ton+toff＝t，toff＝(1-a)t，可得ccm模式下boost阻抗变换器的输入输出电压关系为

当boost阻抗变换器工作在dcm模式时，因为有

则一个周期内电感电流的平均值il为

一个周期内boost阻抗变换器的输入电流即为电感平均电流il，则根据能量守恒定律有

由此可得dcm模式下boost阻抗变换器输入输出电压之间的关系为

dcm模式下，输出电压不仅与占空比a相关，还与电感l、mos管的工作频率f和负载阻值rl相关；

假设boost阻抗变换器没有能量损失，则有

结合上述各式，可得ccm和dcm模式下boost阻抗变换器的输入阻抗r2满足

ccm模式下，易知随着的a增大r2会减小。

dcm模式下，令λ＝α²/lf

此时

在rl一定的情况下，r2仅与λ有关，对公式四求导有

由上式可知dcm模式下r2为关于λ的单调递减函数，增加α可以减小r2。

通过调节boost阻抗变换器mos管的占空比α可以维持r2基本不变，可以稳定系统的传输效率。但若负载需要的功率变化，如图3所示，可以通过改变输入电压vin改变负载功率。负载rl变化时控制器将负载上的电压vout与电流iout幅值采样，计算负载阻抗，并根据负载rl的大小调整α，使r2不变，若负载需要的功率变化，则控制器调节输入电压vin。此处boost阻抗变换器的作用并不是调节输出电压，而是起到阻抗变换的功能，调节输出电压的任务由初级侧电源实现。

参照附图4，蓝色线段表示在此占空比下boost阻抗变换器工作于ccm状态，红色线段表示在此占空比条件下工作于dcm状态。图中显示了负载rl分别为50ω、80ω、120ω、300ω时，boost阻抗变换器输入端等效电阻r2随占空比α的变化曲线。因此当负载rl变动时，实时调节占空比，使boost阻抗变换器输入端等效电阻r2不变。

本发明提供了基于电路占空比的阻抗匹配方法，推导出了boost阻抗变换器在ccm和dcm模式下的阻抗变换关系，通过调节占空比使等效负载维持在最优负载附近，从而实现最大效率传输。通过调节boost阻抗变换器中mos管的占空比a可以维持r2基本不变，从而稳定系统的传输功率与效率。但若负载需要的功率变化，可以通过改变输入电压vin改变负载功率。因此，采用boost阻抗变换器，通过改变boost阻抗变换器占空比实现阻抗匹配，可以稳定wpt系统传输效率，适用于负载为大电压低电流、等效阻抗值较大的应用场合。

上述实施例中的各个序号仅仅为了描述，不代表各部件的组装或使用过程中的先后顺序。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。