一种基于容性半桥逆变器的无线能量传输装置的制作方法

本实用新型涉及电磁感应无线能量传输技术领域，具体为一种基于容性半桥逆变器的无线能量传输装置；主要应用于感应无线能量传输，尤其适合于感应加热、电动汽车、机器人、水下电能传输等不适合接触式电能传输的应用领域，亦可用于AC-DC变换器应用中。

背景技术：

常用的电能量传输一般都是通过电导体接触紧固装置或者接触式插头从电源向用电设备传递。但由于接触电阻的存在，电能量在传输过程中难免出现一些问题，尤其在一些特殊场合，接触式电能量传输可能会出现传输不良、过热燃烧等问题。因此，在许多环境场合(如粉尘、潮湿、水下)和许多专用目的(如对移动设备供电、电动汽车充电)都需要有无线电能量充电的技术手段。国内外提出了许多无线电能量传输的方法，如微波、激光、超声、电磁感应耦合等无线电能传输方法。在这些方法中，感应耦合无线能量传输方式发展最快。感应耦合无线电能量传输是基于电磁感应耦合原理：电能经变换器将直流电转变换成高频交流电驱动初级线圈，高频交流电在初级线圈产生交变磁场能量，通过电磁耦合，磁场能量被耦合到次级线圈；在次级线圈中，磁场能量被变换为高频交流电并送往负载。感应耦合无线电能量传输由于初次级线圈之间存在较大距离，且磁力线没有磁芯约束而产生大量漏磁，是典型的松耦合能量传输系统。与紧耦合能量传输系统(变压器电能量传输系统)相比，传输效率相当低。因此，感应耦合无限能量传输首要解决的问题就是传输效率低的问题。传输效率低造成能量传输系统中出现大量无功功率、产生母线环流和增加母线电源容量；大量漏磁的存在导致电应力增大、增加开关器件的选择难度和降低系统的稳定性。

采用谐振补偿的方法可解决漏磁大、无功功率大的问题。文献《Advanced modeling of a 2-kw series-series resonating inductive charger for real electric vehicle,"Vehicular Technology IEEE Transactions on,vol.64,no.2,pp.421-430,Feb 2015》提出了一种电动汽车无线充电的设计方案，该方案分别采用谐振网络对初级、次级进行无功功率补偿，在一定程度上解决了松耦合无线能量传输系统的诸多问题。然而，该方法最大的问题在于变换器必须与谐振槽之间谐振，而由于初级线圈与次级线圈之间的关系十分复杂，实际使用时谐振槽的谐振频率始终在变化，变换器与谐振槽之间的谐振是很难实现的，如何让变换器与谐振槽之间保持谐振一直是学者们研究的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的提供了一种感应耦合无线能量传输装置，该装置在工作过程中，将直流电源与谐振网络完全解耦，因此装置的工作频率不需要与谐振槽保持一致，解决了感应耦合无线能量传输变换器与谐振槽之间频率约束的问题。

一种基于容性半桥逆变器的无线能量传输装置，由容性半桥逆变器、电源UDC、松耦合变压器T、控制器和负载R构成；所述容性半桥逆变器由开关管S1、开关管S2、电容Cp、电压传感器V和电流传感器I组成；所述开关管S1设有控制极g1、开关管S2设有控制极g2，通过控制各控制极相对应的开关管导通或关断，开关管S1和开关管S2分别对应一个寄生二极管D1和二极管D2，开关管S1的漏极作为容性半桥逆变器的电源输入正极Uin+，开关管S2的源极作为容性半桥逆变器的电源输入负极Uin-，电容Cp的一端与开关管S1的源极连、另一端与开关管S2的漏极连接，电压传感器V的一个输入端连接开关管S1的漏极，另一端连接在开关管S2的漏极，电流传感器的一端连接在开关管S2的漏极，另一端作为容性半桥逆变器的输出端Uo-，开关管S1的漏极作为容性半桥逆变器的另一个输出端Uo+；

所述电源UDC有正极和负极，正极与容性半桥逆变器的电源输入正极Uin+连接、负极与容性半桥逆变器的电源输入负极Uin-连接；

所述松耦合变压器T由初级电感L1、次级电感L2组成，初级电感L1的两端与容性半桥逆变器的输出端Uo+和输出端Uo-连接，次级电感L2的两端与负载R的两端连接；

所述控制器有输入端Vin、输入端Iin、输出端g1和输出端g2；输入端Vin接收从电压传感器V送来的检测信号、输入端Iin接收从电流传感器I送来的检测信号，根据信号的幅值、相位物理信息，控制器分别形成输出端g1、输出端g2的控制信号，分别对应开关管的控制极g1、控制极g2。

所述初级电感L1与次级电感L2通过耦合系数k形成磁耦合通道，将初级电感中的能量送往次级。

所述开关管S1和开关管S2为晶体管、场效应管或IGBT管。

所述负载R为整流设备等效输入电阻、电子设备等效输入电阻或加热器等效电阻。

本实用新型技术方案的有益效果是：

本实用新型利用两个开关管和一个电容构成一个容性半桥逆变器，该结构通过两个个开关管将感应耦合无线能量传输系统中的变换器、初级电感和谐振电容彼此隔离。工作时，通过控制开关管的开断时序，系统可分别工作在能量注入、谐振和截止等工作模态。由于能量注入与谐振模态在时间上相互独立，因此电源与谐振槽之间的耦合就被彻底解耦，从根本上解决了变换器与谐振槽的频率必须一致的约束问题。

附图说明

图1为本实用新型一种基于容性半桥逆变器的无线能量传输装置实施例的电路拓扑示意图。

图2为本实用新型能量注入模态示意图。

图3为本实用新型谐振注入模态示意图。

图4为本实用新型截止注入模态示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

参见图1，一种基于容性半桥逆变器的无线能量传输装置，由容性半桥逆变器(1)、电源UDC(2)、松耦合变压器T(3)、控制器(4)和负载R(5)构成；所述容性半桥逆变器(1)由开关管S1(10)、开关管S2(11)、电容Cp(12)、电压传感器V(13)和电流传感器I(14)组成；所述开关管S1(10)设有控制极g1、开关管S2(11)设有控制极g2，通过控制各控制极相对应的开关管导通或关断，开关管S1(10)和开关管S2(11)分别对应一个寄生二极管D1(100)和二极管D2(101)，开关管S1(10)的漏极作为容性半桥逆变器(1)的电源输入正极Uin+，开关管S2(11)的源极作为容性半桥逆变器(1)的电源输入负极Uin-，电容Cp(12)的一端与开关管S1(10)的源极连、另一端与开关管S2(11)的漏极连接，电压传感器V(13)的一个输入端连接开关管S1(10)的漏极，另一端连接在开关管S2(11)的漏极，电流传感器(14)的一端连接在开关管S2(11)的漏极，另一端作为容性半桥逆变器(1)的输出端Uo-，开关管S1(10)的漏极作为容性半桥逆变器(1)的另一个输出端Uo+。

所述电源UDC(2)有正极和负极，正极与容性半桥逆变器(1)的电源输入正极Uin+连接、负极与容性半桥逆变器(1)的电源输入负极Uin-连接。

所述松耦合变压器T(3)由初级电感L1(30)、次级电感L2(31)组成，初级电感L1(30)的两端与容性半桥逆变器(1)的输出端Uo+和输出端Uo-连接，次级电感L2(31)的两端与负载R(5)的两端连接。

所述控制器(4)有输入端Vin，图中标注V(40)、输入端Iin，图中标注I(41)、输出端g1和输出端g2；输入端Vin(40)接收从电压传感器V(13)送来的检测信号、输入端Iin(41)接收从电流传感器I(14)送来的检测信号，根据信号的幅值、相位物理信息，控制器(4)分别形成输出端g1、输出端g2的控制信号，分别对应开关管的控制极g1、控制极g2，在控制器控制下分别处于能量注入模态、谐振模态和截止模态。

所述初级电感L1(30)与次级电感L2(31)通过耦合系数k形成磁耦合通道，将初级电感中的能量送往次级。

所述开关管S1(10)和开关管S2(11)为晶体管、场效应管或IGBT管。

所述负载R(5)为整流设备等效输入电阻、电子设备等效输入电阻或加热器等效电阻。

基于容性半桥逆变器的无线能量传输控制方法，由容性半桥逆变器(1)在控制器(4)的控制下，形成以下工作模态，根据不同的工作模态按一定组合次序周期性的依次出现：正向能量注入模态、谐振模态、截止模态，通过改变各个模态持续时间的比例，调节输出电压、电流和功率。

1)能量注入模态，开关管S2(11)导通，开关管S1(10)关断，在这个模态下，松耦合变压器的初级电感L1(30)与电源UDC(2)相连，电感电流正向增加，电源UDC(2)向松耦合变压器正向输入能量，一部分能量通过磁耦合送往次级电感L2(31)。

2)谐振模态，开关管S1(10)导通，开关管S2(11)关断，在这个模态下，松耦合变压器的初级电感L1(30)与电源UDC(2)脱离连接，转而与电容Cp(12)相连，电感L1与电容Cp(12)形成谐振槽，松耦合变压器中的能量在初级电感L1(30)与电容Cp(12)中形成谐振，一部分能量继续通过磁耦合送往次级电感L2(31)。

3)截止模态，开关管S1(10)和开关管S2(11)全部关断，在这个模态下，松耦合变压器的初级电感L1(30)与电源UDC(2)、电容Cp(12)都脱离连接，松耦合变压器中残存的能量以电场能量的形式存储在电容Cp(12)中。

图2、图3和图4分别为本装置处于能量注入模态、谐振模态和截止模态示意图。为了清晰的表达本方案的工作状态，处于工作状态的器件和电路(有流过电流)用粗实线表示，没处于工作状态的器件和电路(无流过电流)用细虚线表示，线路中箭头方向表示电流流动方向。

图2为能量注入模态示意图。该模态下，控制器的输出端g2输出信号，输出端g1没信号输出，初级电感L1(30)通过开关开关管S2(11)与电源UDC(2)相连，电源向初级线圈L1注入能量，此时一部分能量向次级传输。

图3为谐振模态示意图。在该模态下，控制器的输出端g1输出信号，输出端g2没信号输出，初级电感L1(30)通过开关开关管S1(10)与电容Cp(12)相连，形成谐振槽；此模态电源与谐振槽完全隔离，系统开始谐振，电流双向流动，能量继续向次级传输。

图4为截止模态，该模态控制器的输出端g1、输出端g2全部没输出信号，初级电感L1(30)与电源UDC(2)、电容都完全隔离，系统剩余能量以电场的形式存储在电容Cp(12)中，初级电感L1电流为0，停止向次级传输能量；通过改变各个模态持续时间的比例，调节输出电压、电流和功率，截止模态可以取消。

本装置利用两个开关管和一个电容构成一个容性半桥逆变器，该结构通过两个个开关管将感应耦合无线能量传输系统中的变换器、初级电感和谐振电容彼此隔离。工作时，通过控制开关管的开断时序，系统可分别工作在能量注入、谐振和截止等工作模态。由于能量注入与谐振模态在时间上相互独立，因此电源与谐振槽之间的耦合就被彻底解耦，从根本上解决了变换器与谐振槽的频率必须一致的约束问题。能量传输过程分为能量注入、谐振，截止三个模态进行。在能量注入模态中，初级电感与谐振电容分离、独自接入电源进行能量注入；在谐振模态中，初级电感与电源分离、与电容相连构成谐振槽，进行谐振。这种两级式的无线能量传输方法能将电源与谐振槽之间完全分离，解决了利用谐振补偿进行感应耦合无线电能量传输过程中变换器与谐振槽之间耦合状态复杂、容易失谐的问题。通过改变各个模态持续时间的比例，可以调节输出电压、电流和功率提高效率。