一种感应耦合电能量传输装置

技术领域

本发明涉及一种电力电子变流技术，尤其涉及一种感应耦合电能量传输装置。

背景技术

感应耦合电能量传输是一种非接触式的传输电能方式，被广泛地应用在诸如电能变换、物理隔离、无线供电以及感应加热等领域。感应耦合电能量传输采用感应耦合能量传递技术(Inductive Power Transmission，IPT)，其基本原理是在初级(一次侧)用高频电能去驱动发射线圈(初级电感)，高频能量通过电磁磁链被传递到次级(二次侧)的接收线圈(次级电感)。IPT系统在原理上是一个松耦合变压器系统。由于松耦合变压器中，初级与次级之间的感应耦合能量很弱，系统互感比漏感小得多，小的互感导致无功功率高，传输效率极低。为了解决无功功率大导致的母线环流和传输效率低的问题，通常采用在初级回路和次级回路中增加谐振网络以补偿无功功率，达到消除环流和提高传输效率的目的解决耦合能力差的问题。回路中增加的谐振网络导致变流器与谐振回路之间相互粘连，相互耦合强烈。强耦合特性导致变流器的工作频率与相位必须要与谐振网络相一致，系统开关状态的变化只能在在初级电流过零点处进行，否则变流器中的开关元件会失去软开关工作条件这在很大程度上增加了开关控制策略的难度。

IPT系统的实际应用场景较为复杂，是一个变参数系统，如负载变化、线圈不对称、气隙变化等。参数变化会导致谐振网络频率漂移，造成变流器与谐振网络之间失谐，这在很大程度上影响了IPT系统的实际应用。因此众多学者和工程人员都在寻找更好的控制IPT系统的控制装置和方法。

发明内容

本发明实施例提出了一种感应耦合电能量传输装置及其控制方法以解决系统失谐问题、降低控制难度。

本发明提供一种感应耦合电能量传输装置，包括：

母线电容；防反流二极管；初级电容；变流器；初级电感；次级负载；

其中，所述母线电容两端分别与外接电源UDC+端口、UDC－端口相连；

所述变流器包括端口A1、端口A2、端口B1、端口B2、端口B3、端口B4；

所述防反流二极管正端与所述外接电源UDC+端口相连，负端与所述变流器A1端口相连，所述外接电源UDC－端口与所述变流器A2端口相连；

所述初级电容的一端与所述变流器B1端口相连、另一端与B3端口相连，所述初级电感一端与所述变流器B2端口相连、另一端与B4端口相连；

所述初级电感与所述次级负载之间存在电磁感应磁链，通过所述电磁感应磁链，所述初级电感中的能量被传递到次级负载；

若所述变流器处于第一工作状态，所述变流器A1端口与B2端口相连、A2端口与B4端口相连；所述外接电源UDC通过所述防反流二极管向所述变流器A1端口注入电流，注入A1端口的电流经B2端口流出并注入所述初级电感；

若所述变流器处于第二工作状态，所述变流器B1端口与B2端口相连、B3端口与B4端口相连，所述外接电源UDC停止向所述变流器注入电流，所述初级电容与所述初级电感经所述变流器的B1端口、B2端口、B3端口、B4端口相连，形成谐振槽，产生谐振；

若所述变流器处于第三工作状态，所述变流器A1端口、A2端口、B1端口、B2端口、B3端口、B4端口各自分开、不相连；所述外接电源UDC停止向所述变流器注入电流，所述初级电容与所述初级电感相互隔离，停止谐振；在特定工作场合中，所述第三工作状态可取消；

在所述第一工作状态与第二工作状态期间，所述初级电感通过所述电磁感应磁链向所述次级负载传递能量。

所述变流器包括第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关，第一二极管、第二二极管、第三二极管。

所述次级负载包括次级电感和/或与所述次级电感并联或串联的次级电容，所述次级电感与所述初级电感之间存在电磁感应磁链，通过所述电磁感应磁链所述初级电感中的能量被传递到次级负载；所述次级负载包括待加热的金属。

所述初级电感、次级电感带有磁芯。

所述第一二极管为所述第一功率开关的体二极管，所述第二二极管为所述第二功率开关的体二极管，所述第三二极管为所述第三功率开关的体二极管。

当所述变流器处于第一工作状态、第三工作状态，所述初级电容电压被钳位在所述母线电容电压。

所述变流器工作状态控制策略为：

当所述第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关都截止时，所述变流器处于第三工作状态；当所述第一功率开关、第二功率开关导通，第三功率开关关断时，所述变流器处于第一工作状态；当所述第一功率开关关断，第二功率开关导通、第三功率开关导通或第二功率开关、第三功率开关都导通时，所述变流器处于第二工作状态。

控制所述变流器工作顺序为：第一工作状态、第二工作状态、第三工作状态、第一工作状态，以此规律循环往复；在特定的情况下，所述变流器工作顺序为：第一工作状态、第二工作状态、第一工作状态，以此规律循环往复。

所述变流器第二工作状态包括第一过渡状态、谐振状态和第二过渡状态；当所述第二功率开关导通、第三二极管导通，所述变流器处于所述第一过渡状态；当所述第三功率开关导通、第二二极管导通，所述变流器处于所述第二过渡状态；当第二功率开关、第三功率开关导通，第二二极管、第三二极管交替导通，所述变流器处于谐振状态。

本发明实施例中的电磁感应能量传递装置通过构置一个开关结构可变的变流器，使本发明所提出电磁感应能量传递装置能够将频率跟踪过程和能量注入过程相互解耦，达到系统工作频率自适应谐振、变周期调节功率的拓扑结构，解决了现有技术存在系统参数时变与谐振频率约束之间的矛盾以及系统参数时变导致频率跟踪、功率控制困难的问题；此外本发明实施例提供的拓扑结构具有开关控制策略简单方便，且开关始终工作在软开关条件下的特点。

附图说明

图1为本发明一种感应耦合电能量传输装置的应用示意图。

图2为本发明一种感应耦合电能量传输装置变流器处于第一工作状态的应用拓扑示意图。

图3为本发明一种感应耦合电能量传输装置变流器处于第二工作状态的应用拓扑示意图。

图4为本发明一种感应耦合电能量传输装置变流器第一种实施例拓扑示意图。

图5为本发明一种感应耦合电能量传输装置次级负载第一种实施例拓扑示意图。

图6为本发明一种感应耦合电能量传输装置次级负载第二种实施例拓扑示意图。

图7为本发明一种感应耦合电能量传输装置变流器第一种实施例时序波形示意图。

图8为本发明一种感应耦合电能量传输装置变流器第一种实施例第一工作状态示意图。

图9为本发明一种感应耦合电能量传输装置变流器第一种实施例第二工作状态第一过渡状态示意图。

图10为本发明一种感应耦合电能量传输装置变流器第一种实施例第二工作状态谐振状态示意图。

图11为本发明一种感应耦合电能量传输装置变流器第一种实施例第二工作状态第二过渡状态示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为了至少部分地解决现有技术中存在的问题，例如，如何解决无线电能量传输装置变流器频率跟踪和/或变流器开关部件状态变化控制难等问题。提出了一种感应耦合电能量传输装置及其控制方法以解决系统失谐问题、降低控制难度。本发明实施例提供一种感应耦合电能量传输装置，其中，所述感应耦合电能量传输装置包括：

母线电容；防反流二极管；初级电容；变流器；初级电感；次级负载；

其中，所述母线电容两端分别与外接电源UDC+端口、UDC－端口相连；

所述变流器包括端口A1、端口A2、端口B1、端口B2、端口B3、端口B4；

所述防反流二极管正端与所述外接电源UDC+端口相连，负端与所述变流器A1端口相连，所述外接电源UDC－端口与所述变流器A2端口相连；

所述初级电容的一端与所述变流器B1端口相连、另一端与B3端口相连，所述初级电感一端与所述变流器B2端口相连、另一端与B4端口相连；

所述初级电感与所述次级负载之间存在电磁感应磁链，通过所述电磁感应磁链，所述初级电感中的能量被传递到次级负载；

若所述变流器处于第一工作状态，所述变流器A1端口与B2端口相连、A2端口与B4端口相连；所述外接电源UDC通过所述防反流二极管向所述变流器A1端口注入电流，注入A1端口的电流经B2端口流出并注入所述初级电感；

若所述变流器处于第二工作状态，所述变流器B1端口与B2端口相连、B3端口与B4端口相连，所述外接电源UDC停止向所述变流器注入电流，所述初级电容与所述初级电感经所述变流器的B1端口、B2端口、B3端口、B4端口相连，形成谐振槽，产生谐振；

若所述变流器处于第三工作状态，所述变流器A1端口、A2端口、B1端口、B2端口、B3端口、B4端口各自分开、不相连；所述外接电源UDC停止向所述变流器注入电流，所述初级电容与所述初级电感相互隔离，停止谐振；在特定工作场合中，所述第三工作状态可取消；

在所述第一工作状态与第二工作状态期间，所述初级电感通过所述电磁感应磁链向所述次级负载传递能量。

所述变流器包括第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关，第一二极管、第二二极管、第三二极管。

所述次级负载包括次级电感和/或与所述次级电感并联或串联的次级电容，所述次级电感与所述初级电感之间存在电磁感应磁链，通过所述电磁感应磁链所述初级电感中的能量被传递到次级负载。

所述初级电感、次级电感带有磁芯。

所述第一二极管为所述第一功率开关的体二极管，所述第二二极管为所述第二功率开关的体二极管，所述第三二极管为所述第三功率开关的体二极管。

当所述变流器处于第一工作状态、第三工作状态，所述初级电容电压被钳位在所述母线电容电压。

所述变流器工作状态控制策略为：

当所述第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关都截止时，所述变流器处于第三工作状态；当所述第一功率开关、第二功率开关导通，第三功率开关关断时，所述变流器处于第一工作状态；当所述第一功率开关关断，第二功率开关导通、第三功率开关导通或第二功率开关、第三功率开关都导通时，所述变流器处于第二工作状态。

控制所述变流器工作顺序为：第一工作状态→第二工作状态→第三工作状态→第一工作状态，……，以此规律循环往复；在特定的情况下，所述变流器工作顺序为：第一工作状态→第二工作状态→第一工作状态，……，以此规律循环往复。

所述变流器第二工作状态包括第一过渡状态、谐振状态和第二过渡状态；当所述第二功率开关导通、第三二极管导通，所述变流器处于所述第一过渡状态；当所述第三功率开关导通、第二二极管导通，所述变流器处于所述第二过渡状态；当第二功率开关、第三功率开关导通，第二二极管、第三二极管交替导通，所述变流器处于谐振状态。

图1为本发明一种感应耦合电能量传输装置的应用示意图，用以说明一种将直流电转换成高频交流电、通过电磁耦合的方式向次级提供能量的传输装置。所述感应耦合电能量传输装置包括母线电容1、防反流二极管2、初级电容3(Cp)、变流器4、初级电感5(Lp)、次级负载6。

所述变流器4包括A1端口、A2端口、B1端口、B2端口、B3端口、B4端口。

所述母线电容1的两端分别与外接电源UDC+端口、UDC－端口相连；所述防反流二极管2的正端与外接电源UDC+端口相连、负端与所述变流器4的A1端口相连；外接电源UDC－端口所述变流器4的A2端口相连。

所述初级电容3的一端与所述变流器4的B1端口相连、另一端与B3端口相连；所述初级电感5的一端与所述变流器4的B2端口相连、另一端与变流器4的B4端口相连。

所述初级电感5与所述次级负载6之间存在电磁感应磁链，通过所述电磁感应磁链，所述初级电感5中的能量被传递到次级。

图2为本发明一种感应耦合电能量传输装置的变流器4处于第一工作状态的应用拓扑示意图，参见图2，在第一工作状态中所述变流器4的A1端口与B2端口相连、A2端口与B4端口相连。所述外接电源UDC通过所述防反流二极管2向所述变流器A1端口注入电流ib，注入A1端口的电流ib流出B2端口形成电流ip注入所述初级电感5(Lp)；

图3为本发明一种感应耦合电能量传输装置的变流器4处于第二工作状态的应用拓扑示意图。参见图3，在第二工作状态中所述变流器4的B1端口与B2端口相连、B3端口与B4端口相连。所述初级电容3与所述初级电感5形成谐振槽，系统开始谐振并形成谐振电流ic＝ip。

图4为本发明一种感应耦合电能量传输装置的变流器4第一种实施例拓扑示意图。参考图4，所述变流器4包括第一功率开关41、第二功率开关42、第三功率开关43，第一二极管44、第二二极管45、第三二极管46。所述第一二极管44为所述第一功率开关41的体二极管，所述第二二极管45为所述第二功率开关42的体二极管，所述第三二极管46为所述第三功率开关43的体二极管。

继续参考图4，所述第一功率开关41的漏极与所述变流器4的A1端口相连、源极与B1端口相连，所述第二功率开关42的漏极与所述变流器4的B1端口相连、源极与B2端口相连，所述第三功率开关43的漏极与所述变流器4的B3端口相连、源极与B4端口相连，所述变流器4的A2端口与B4端口相连。

图5为本发明一种感应耦合电能量传输装置的次级负载6第一种实施例拓扑示意图。参见图5，所述次级负载6包括次级电感61、补偿电容62、负载63。所述补偿电容62可以以串联形式、并联形式与所述次级电感61相连，形成次级补偿回路。次级补偿回路的输出驱动负载63，为其提供能量在一些情况下，所述补偿电容62可以缺省，所述次级电感直接与所述负载63相连，为其提供能量。

图6为本发明一种感应耦合电能量传输装置的次级负载6第二种实施例拓扑示意图。如图6所示，所述次级负载6包括金属件64。当所述初级电感5流过交变电流时产生交变磁场，所述交变磁场通过所述的电磁耦合磁链将能量传递到次级负载6，在所述金属件64中感应出涡流。所述感应涡流对所述金属件64进行加热。

图7为本发明一种感应耦合电能量传输装置的变流器第一种实施例时序波形示意图，该波形示意图用于说明所述变流器4中第一功率开关41、第二功率开关42、第三功率开关43工作时序与系统工作状态的关系。其中，S1、S2、S3分别表明第一功率开关41、第二功率开关42、第三功率开关43的导通截止状态，高电平导通、低电平截止。

参考图7：

在[t1，t2]区间，S1、S2高电平，S3低电平，此时变流器4处于第一工作状态，所述初级电容电压3Uc被钳位在UDC。在这个状态中，流过防反流二极管2并流入A1端口的电流ib线性上升，流入所述初级电感5的电流ip同样线性上升，有ib＝ip。此时所述初级电容3没有电流，ic＝0。

在[t2，t5]区间，S1低电平，S2、S3至少有一个高电平，此时变流器4处于第二工作状态。此时系统开始谐振，uc、ip、ic开始正弦式变化，ib＝0。

在[t5，t6]区间，S1、S2、S3全都低电平，此时变流器4处于第三工作状态。此时uc被钳位在UDC，ib、ip、ic都为0。

[t6，t10]区间为新的一个工作周期，系统周而复始地重复这些周期，将直流电源UDC斩波成高频交流电。

进一步参考图7：

在t2时刻S1关断，此时所述变流器4从第一工作状态切换为第二工作状态。但S3延时了一个时间，直到t3才开始导通。注意t3选择在t2之后、ip第一个过0点之前。这样的选择是为S3创造一个软开关条件，区间[t2，t3]被定义为第二工作状态的第一过渡状态。

在t4时刻S2关断后，同样经过一个时延直到t5时刻才关断S3，将所述变流器4从第二工作状态切换为第三工作状态。这样的选择同样是为S3创造一个软开关条件，区间[t4，t5]被定义为第二工作状态的第二过渡状态。

图8为本发明一种感应耦合电能量传输装置的变流器第一种实施例第一工作状态示意图。结合图7、图8，在区间[t1，t2]所述变流器4中的第一功率开关41、第二功率开关42导通，A1端口与B2端口相连，同时A2端口与B4端口相连。电源UDC经由防反流二极管2被加到所述初级电感5，形成线性上升的电流ip。

图9为本发明一种感应耦合电能量传输装置的变流器第一种实施例第二工作状态第一过渡状态示意图。结合图7、图9，在区间[t2，t3]所述变流器4中的第一功率开关41关断、第二功率开关42导通，注意此时第三功率开关43还没导通。由于第一功率开关41关断，电源UDC停止向所述初级电感5注入电流，但因为所述初级电感5中电流ip不能突变，所述第三二极管46导通，为提ip供通道。同时由于第一功率开关41关断，A2端口与B4端口相连没有意义。此时形成B1端口与B2端口相连、B3端口与B4端口相连的状况，初级电容3与初级电感4形成谐振槽，初级电感电流ip继续维持，但开始以正弦规律变化，同时开始出现初级电容电流ic，有ic＝ip。由于第三二极管46导通，为第三功率开关43提供了零电压导通的软开关条件，形成第二工作状态的第一过渡状态。

图10为本发明一种感应耦合电能量传输装置的变流器第一种实施例第二工作状态谐振状态示意图。由于第二工作状态的第一过渡状态中第三功率开关43没有导通，因此所述初级电容3和初级电感5形成的谐振槽还不完备，只能单向流过电流，需要将第一过渡状态中第三功率开关43导通。结合图7、图10，在t3时刻第三功率开关43被零电压导通。因此在区间[t2，t3]中第二功率开关42、第三功率开关43导通，第二二极管45、第三二极管46交替导通。所述初级电容3和初级电感5形成的谐振槽可进行双向电流流动，系统进入第二工作状态的谐振状态，uc、ib、ip、ic都按正弦规律变化。

图11为本发明一种感应耦合电能量传输装置的变流器第一种实施例第二工作状态第二过渡状态示意图。结合图7、图11，在区间[t4，t5]中，第二二极管45处于导通状态，因此在区间[t4，t5]零电压关断第二功率开关42。由于第二功率开关42在t4后被关断，所述初级电容3和初级电感5形成的谐振槽从新回到单向导通的状态，为系统退出第二工作状态做准备，因此[t4，t5]被称为第二工作状态第二过渡状态。在第二工作状态第二过渡状态，uc、ib、ip、ic都按正弦规律变化。当到达t5时刻，ip减少为0，因此可以零电流软开关条件关断第三功率开关43，系统退出第二工作状态，进入第三状态。

进一步参考图7与图8，可看到，通过改变所述变流器4第一工作状态持续时间可改变[t1，t2]时间段内注入所述初级电感电流ip的大小，进而改变磁场能量，达到控制系统功率的目的。

进一步参考图7与图9图10图11，可以看到在[t2，t5]时间段内，所述变流器4第二工作状态持续时间完全有所述初级电容3与所述初级电感4所构成的谐振槽参数决定，即系统可以适应系统参数变化，达到自动跟踪系统工作频率的目的。

可理解的是，在图2、图3、图8、图11中，流过电流的元器件及电路用粗实线表示，没流过电流的元器件及电路用细实线表示。

本发明实施例中的电磁感应能量传递装置通过构置一个开关结构可变的变流器，使本发明所提出电磁感应能量传递装置能够将频率跟踪过程和能量注入过程相互解耦，达到系统工作频率自适应谐振、变周期调节功率的拓扑结构，解决了现有技术存在系统参数时变与谐振频率约束之间的矛盾以及系统参数时变导致频率跟踪、功率控制困难等问题。此外本发明实施例提供的拓扑结构具有开关控制策略简单方便，且开关始终工作在软开关条件下等特点。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。