带有原边阻抗变换网络的非接触单管谐振变换器

技术领域

本发明涉及带有原边阻抗变换网络的非接触单管谐振变换器，属于无线充电的技术领域。

背景技术

无线充电具有使用安全、方便、无火花及触电危险、免维护、可适应恶劣环境以及易于实现无人自动供电等优点，在矿井、油田和水下探测等特殊应用场合，植入式医疗设备，便携式电子设备，电动汽车，机器人等移动设备中具有突出的应用优势。而非接触单管谐振变换器由于只使用一只开关管，简化了电路，大大降低了硬件成本，具有良好的应用前景。

无线充电的实际工况避免不了能量耦合器原副边的相对位移或气隙变化，变换器的电压/电流增益、效率等性能会严重恶化，因此对无线充电主功率拓扑提出了具有较高抗偏移能力和适应气隙变化能力的要求。

南京航空航天大学G. Ke, Q. Chen, L. Xu, X. Ren and Z. Zhang, "Analysisand Optimization of a Double-sided S-LCC Hybrid Converter for HighMisalignment Tolerance," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, doi:10.1109/TIE.2020.2988215.kh中提出了一种具有高抗偏移特性的双边S-LCC混合变换器，利用正交双DD线圈结构，通过原副边补偿网络的设置，抑制了变换器输出电流增益在能量耦合器错位条件下的波动。然而非接触单管谐振变换器由于仅有一只开关管，且依靠谐振过程实现逆变功能，其开关管的软开关实现严重依赖谐振网络参数，无法在原边电路中任意设置补偿网络。若将上述南京航空航天大学所提方案放在非接触单管谐振变换器中，则会破坏开关管的软开关条件，使电路无法正常工作。

青岛大学王春芳，魏芝浩，李震的一种带有下拉辅助开关的感应耦合电能传输装置，公开号：CN107134927A，公开日：2017-09-05，该专利文件对非接触单管谐振变换器进行了研究，原边仅在发射线圈两端并联谐振电容，副边采用串联或并联补偿，输出功率受限于高开关管电压应力，输出电压/电流增益与原副边线圈的相对位置密切相关。

目前还未有实际有效的方案可以提高非接触单管谐振变换器的抗偏移能力和适应气隙变化的能力。

发明内容

本发明针对非接触单管谐振变换器在抗偏移能力和适应气隙变化方面存在的问题，提出一种带有原边阻抗变换网络的非接触单管谐振变换器，用以有效减小变换器在能量耦合器错位和变气隙条件下的输出电压/电流增益波动。

本发明的具体技术方案如下：

带有原边阻抗变换网络的非接触单管谐振变换器，包括输入电源

所述原边阻抗变换网络包括第二发射线圈

所述第一接收线圈

所述第一发射线圈

进一步地，原边单元设有第三谐振电容

进一步地，开关管为单个开关器件或由多个开关器件并联组成的单管单元；

进一步地，开关管

进一步地，原边阻抗变换网络还包括第四谐振电容

进一步地，原边阻抗变换网络还包括第二谐振电感

进一步地，原边单元中，第一发射线圈

进一步地，副边单元还包括副边整流滤波电路；

所述副边整流滤波电路仅包含一路整流滤波电路，所述第一补偿单元Z01的输出与第二补偿单元Z02的输出串联或并联后与副边整流滤波电路和负载电阻依次连接；

或所述副边整流滤波电路包含第一整流滤波电路和第二整流滤波电路，所述第一接收线圈

本发明相比现有技术具有如下有益效果：

本发明相比现有技术，提供一种带有原边阻抗变换网络的非接触单管谐振变换器，它通过利用两个能量耦合器互感在偏移和变气隙工况下所传递功率的增减相反特性，减小变换器的输出电压/电流增益波动，提高非接触单管谐振变换器的抗偏移能力和适应气隙变化的能力。

附图说明

图1为本发明带有原边阻抗变换网络的非接触单管谐振变换器的拓扑结构示意图；

图2为图1的等效电路；

图3(1)为图2中Q开关管开通时的等效电路；

图3(2)为图2中Q开关管关断时的等效电路；

图4为实施例一电路示意图；

图5为本发明实施例中采用的能量耦合器结构--正交双DD线圈结构；

图6为实施例一中电路的输出电流增益的计算结果；

图7为实施例一中电路的输出电流增益的仿真结果；

图8为改进前的非接触单管谐振变换器拓扑；

图9为改进前的非接触单管谐振变换器的仿真结果；

图10为实施例二电路示意图；

图11为实施例三电路示意图；

图12为实施例四电路示意图；

图13为实施例五电路示意图；

图14为实施例六电路示意图；

图15为实施例七电路示意图；

图16为实施例八电路示意图；

图17为实施例九电路示意图；

图中：

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，本发明的带有原边阻抗变换网络的非接触单管谐振变换器，包括输入电源

其中，第一补偿单元Z01采用串联补偿结构或并联补偿结构或SP补偿结构或LCL补偿结构或LCC补偿结构，第二补偿单元Z02采用串联补偿结构或并联补偿结构或SP补偿结构或LCL补偿结构或LCC补偿结构。

本发明如图1中带有原边阻抗变换网络的非接触单管谐振变换器的拓扑结构的整流方式可以采用全桥整流、半桥整流、倍压整流、倍流整流、可控整流等整流方式。

图1的等效电路如图2所示，补偿单元的谐振频率设置在开关频率处，故第一接收线圈和第二接收线圈处的输入阻抗为阻性，因而两个能量耦合器的副边反射阻抗为纯阻

以图1为例，其工作原理如下：

当开关管Q开通时，储能支路由

根据上述工作过程的描述可知，电路拥有两个谐振频率

原边阻抗变换网络的参数满足：

令图2中非接触单管谐振变换器的原边线圈电流

将式(2)代入式(3)得：

不考虑变换器在元件上的损耗，则两个能量耦合器所传输的功率

将式(1)和式(4)代入式(5)得：

由式(6)可知，

实施例一

如图4所示，本发明带有原边阻抗变换网络的非接触单管谐振变换器包括输入电源

第二谐振电容

如图5所示，第一发射线圈

第一补偿单元Z01为LCC补偿结构，第二补偿单元Z02为串联补偿结构，第一接收线圈

原边阻抗变换网络参数满足如式(7)所示条件：

副边第一补偿单元和第二补偿单元的谐振元件满足以下条件：

流过补偿电感

将式(4)和式(7)代入式(8)可得：

容易得到，输出电流增益

组成正交双DD线圈结构的两个能量耦合器的互感随着原副边错位距离和气隙的变化而同增同减，即耦合系数近似同增同减。令组成正交双DD线圈结构的两个能量耦合器的耦合系数关系如式(12)所示，其中，

将式(12)代入式(11)得：

由式(13)可知，输出电流增益存在最小值，需满足条件：

根据式(13)可绘制出

为了验证本发明的可行性，在

则根据仿真结果可知，在耦合系数3倍的变化范围内，

表1 仿真参数

下面给出论文S. Zhang, Q. Chen, Z. Li, X. Ren and Z. Zhang, "Analysis andDesign of a 500W Single-switch Contactless Resonant Converter," 2019 22ndInternational Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Harbin,China, 2019, pp. 1-5.中的如图8所示的非接触单管谐振变换器的一组仿真结果，以突出本实施例的有效性。表2为仿真参数，图9为图8所示电路的输出增益仿真结果，在耦合系数3倍的变化范围内，

表2 图8电路的仿真参数

实施例二

如图10所示，本发明带有原边阻抗变换网络的非接触单管谐振变换器包括输入电源

第二谐振电容

能量耦合器采用正交双DD线圈结构，如图5所示，第一发射线圈

本实施例与实施例一原理相同，电路参数设计相同，区别在于本实施例采用两个整流滤波电路，两个整流滤波电路的输出并联后再与负载电阻连接。

实施例三

如图11所示，本发明带有原边阻抗变换网络的非接触单管谐振变换器包括输入电源

第二谐振电容

能量耦合器采用正交双DD线圈结构，如图5所示，第一发射线圈

本实施例与实施例二的区别在于两个补偿单元的不同，本实施例中两个补偿单元的输出均具有恒压特性。但原边电路的工作原理相同，随着错位和气隙的变化，两个能量耦合器所传递的功率仍然具有增减相反特性。

原边阻抗变换网络的参数设计如式(7)所示。

副边第一补偿单元和第二补偿单元的谐振元件参数满足以下条件：

第一补偿单元和第二补偿单元的输出电压

输出电压增益

式(19)与式(11)只有一个定系数的差别，对输出电压增益波动的分析与实施例一基本相同，此处不再赘述。

实施例四

如图12所示，本发明带有原边阻抗变换网络的非接触单管谐振变换器包括输入电源

第二谐振电容

能量耦合器采用正交双DD线圈结构，如图5所示，第一发射线圈

本实施例增加了第三谐振电容，并联在开关管Q两端，与第一谐振电容的功能相同，其与第一谐振电容并联后的容值应与第一实施例中的第一谐振电容相同。其它电路参数的设计与实施例三相同，定量分析过程与实施例三相同，同样具有抑制错位和气隙变化时输出波动的功能。

实施例五

如图13所示，本发明带有原边阻抗变换网络的非接触单管谐振变换器包括输入电源

第二谐振电容

能量耦合器采用正交双DD线圈结构，如图5所示，第一发射线圈

本实施例与实施例一的区别仅在于开关管Q由两只开关器件组成，工作原理和电路参数均相同，同样可减小输出电流波动。

实施例六

如图14所示，本发明带有原边阻抗变换网络的非接触单管谐振变换器包括输入电源

第二谐振电容

能量耦合器采用正交双DD线圈结构，如图5所示，第一发射线圈

实施例七

如图15所示，本发明带有原边阻抗变换网络的非接触单管谐振变换器包括输入电源

第二谐振电容

能量耦合器采用正交双DD线圈结构，如图5所示，第一发射线圈

原边阻抗变换网络需满足的参数条件为：

其它参数条件与实施例一相同，可见，

实施例八

如图16所示，本发明带有原边阻抗变换网络的非接触单管谐振变换器包括输入电源

第二谐振电容

第一发射线圈

原边阻抗变换网络的参数设计如式(7)所示，副边补偿单元的参数设计如下式所示：

第三发射线圈的增加对阻抗变换网络的工作特性没有影响，由于与第一发射线圈为串联连接关系，故特性相同，即随着错位和气隙的变化，第一组能量耦合器、第三组能量耦合器所传递的功率和第二组能量耦合器所传递的功率同样具有增减相反特性，可减小输出电流波动。

实施例九

如图17所示，本发明带有原边阻抗变换网络的非接触单管谐振变换器包括输入电源

第二谐振电容

第一发射线圈

原边阻抗变换网络需满足的参数条件如式(22)所示，其它电路参数条件与实施例一相同。

第三发射线圈由于与第二发射线圈为串联连接关系，故特性相同，即随着错位和气隙的变化，第一组能量耦合器所传递的功率和第二组能量耦合器、第三组能量耦合器所传递的功率同样具有增减相反特性，可减小输出电流波动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。