一种新型单相负载无线电能传输系统及其设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无线电能传输系统，具体涉及一种新型单相负载无线电能传输系 统及其设计方法。
【背景技术】
[0002] 传统有线电能传输模式通过导体之间直接相连的形式传送电能的，但随着社会的 不断发展与进步，这种基于传统理论的接触式供电模式带来的弊端越来越明显，如容易产 生磨损、插电火花、不易维护等，因此，基于感应稱合原理的无线电能传输(WirelessPower Transfer,简称WPT)技术应运而生。
[0003] 目前无线电能传输技术主要是实现单相负载的无线供电，该系统矩阵变换器直接 进行交-交变换，无需中间整流滤波环节，但由于采用双向开关，也增加了矩阵变换器换流 的难度。在以往的调制策略中，双向开关的两个门极共用同一个驱动信号，当同一个桥臂的 两个双向开关动作不同步时会引起严重的电压、电流浪涌，危害开关管安全。针对传统调制 策略的不足，提出一种改进的SPWM混合调制策略，采用解耦分时驱动方法，可消除共用一 个驱动信号引起的电压电流过冲震荡，且无需识别负载电流的极性即可实现一步自适应换 流。
【发明内容】
[0004] 本发明针对传统的单相负载无线电能传输系统存在的不足，提出了一种新型单相 负载无线电能传输系统及其设计方法，该系统矩阵变换器直接进行交-交变换，无需中间 整流滤波环节；再者，改进的SPWM混合调制策略，成功解决了矩阵变换器双向开关换流困 难的问题。
[0005] 本发明的目的是这样实现的，一种新型单相负载无线电能传输系统，具体方案是 一种新型单相负载无线电能传输系统，以感应耦合器为界将主电路分为发送和接收两部 分。发送部分包括直流电源、高频逆变器、原边谐振补偿机构、感应耦合器原边线圈；接收部 分包括感应耦合器副边线圈、副边谐振补偿机构、矩阵变换器、滤波器及单相负载。
[0006] 直流电源通过高频逆变器转变为高频交流电，经原边谐振补偿后提供给感应耦合 器原边线圈，感应耦合器副边线圈基于电磁感应原理拾取能量后再经矩阵变换器及滤波器 为单相负载提供工频交流电。
[0007] 所述的系统以感应耦合器为界，感应耦合器的原边线圈和副边线圈两者之间互不 接触，实现了电能从原边到副边的无线传输。
[0008] 所述的矩阵变换器直接进行交-交变换，无需中间整流滤波环节；再者，改进的 SPWM混合调制策略解决了矩阵变换器双向开关换流困难的问题。
[0009] 所述的高频逆变器是电压型全桥逆变器，四个功率管采用180°互补导通模式。 [0010] 所述的感应耦合器原边线圈和副边线圈材料相同。
[0011] 所述的原边谐振补偿机构和副边谐振补偿机构分别采用串联电容补偿和并联电 容补偿。
[0012] 所述的矩阵变换器是由四个双向开关组成，每个双向开关是由两个IGBT共射极 串联组成，矩阵变换器的控制方法采用改进的SPWM混合调制策略。
[0013] 所述的一种新型单相负载无线电能传输系统的设计方法： 1)忽略双向开关管的损耗，根据功率守恒定律，矩阵变换器及滤波器、单相负载可以等 效为一相负载，从而使主电路等效为一个典型的原边串联补偿、副边并联补偿的单相无线 电能传输系统。
【主权项】
1. 一种新型单相负载无线电能传输系统，其特征在于：该系统以感应耦合器为界将主 电路分为发送和接收两部分，其中发送部分包括直流电源、高频逆变器、原边谐振补偿机 构、感应耦合器原边线圈；接收部分包括感应耦合器副边线圈、副边谐振补偿机构、矩阵变 换器、滤波器及单相负载；直流电源通过高频逆变器转变为高频交流电，经原边谐振补偿后 提供给感应耦合器原边线圈，感应耦合器副边线圈基于电磁感应原理拾取能量后再经矩阵 变换器及滤波器为单相负载提供工频交流电；所述的系统以感应耦合器为界，感应耦合器 的原边线圈和副边线圈两者之间互不接触，实现了电能从原边到副边的无线传输；所述的 矩阵变换器直接进行交-交变换，无需中间整流滤波环节；再者，改进的SPWM混合调制策略 解决了矩阵变换器双向开关换流困难的问题。
2. 根据权利要求1所述的一种新型单相负载无线电能传输系统，其特征在于：高频逆 变器是电压型全桥逆变器，四个功率管采用180°互补导通模式。
3. 根据权利要求1所述的一种新型单相负载无线电能传输系统，其特征在于：感应耦 合器原边线圈和副边线圈材料相同。
4. 根据权利要求1所述的一种新型单相负载无线电能传输系统，其特征在于：原边谐 振补偿机构和副边谐振补偿机构分别采用串联电容补偿和并联电容补偿。
5. 根据权利要求1所述的一种新型单相负载无线电能传输系统，其特征在于：矩阵变 换器是由四个双向开关组成，每个双向开关是由两个IGBT共射极串联组成，矩阵变换器的 控制方法采用改进的SPWM混合调制策略。
6. 根据权利要求1所述的一种新型单相负载无线电能传输系统的设计方法，其特征在 于：1)忽略双向开关的损耗，根据功率守恒定律，矩阵变换器及滤波器、单相负载可以等效 为一相负载，从而使主电路等效为一个典型的原边串联补偿、副边并联补偿的单相无线电 能传输系统；2)由.
-算出感应耦合器副边线圈电感值4,再由
算出副边 谐振补偿机构电容值其中疋q是从矩阵变换器输入端看进去等效电阻是系统高频逆 变器工作角频率；兑是副边谐振补偿因数，兑一般取2~10 ;3)根据系统设计需要，设感应耦 合器原边线圈电感值&为一固定值，则原边谐振补偿机构电容值
，其中# 是感应耦合器原边线圈与感应耦合器副边线圈之间的互感值。
【专利摘要】本发明公开了一种新型单相负载无线电能传输系统及其设计方法。以感应耦合器为界将主电路分为发送和接收两部分。发送部分包括直流电源、高频逆变器、原边谐振补偿机构、感应耦合器原边线圈；接收部分包括感应耦合器副边线圈、副边谐振补偿机构、矩阵变换器、滤波器及单相负载。直流电源通过高频逆变器转变为高频交流电，经原边谐振补偿后提供给感应耦合器原边线圈，感应耦合器副边线圈基于电磁感应原理拾取能量后再经矩阵变换器及滤波器为单相负载提供工频交流电。其显著效果是：矩阵变换器直接进行交-交变换，无需中间整流滤波环节，改进的SPWM混合调制策略，成功解决了矩阵变换器换流困难的问题。
【IPC分类】H02J17-00
【公开号】CN104578454
【申请号】CN201510027122
【发明人】童为为, 钟志祥, 邵祥, 杜朋, 夏晨阳
【申请人】中国矿业大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月20日