一种适用于双向近场电能传输的电路拓扑结构制造技术

本发明专利技术公开了一种适用于双向近场电能传输的电路拓扑结构，所述电路拓扑结构包括全桥逆变、原边谐振动态补偿网络、原边线圈、副边线圈、副边谐振动态补偿网络、全桥同步整流及负载。本发明专利技术可以实现电能的双向近场传输，且在不同的线圈耦合系数，不同负载大小及由于温度、器件生产制造误差等因素引起的系统参数变化等条件下，均能通过调整电容切换开关的PWM占空比产生连续变化的等效电容容值对谐振网络进行动态补偿，来实现全桥逆变的软开关，最小化系统能量传输中的无功功率，进而最大化系统电能传输效率。此外，由于电路结构的对称性，可实现近场电能的双向传输，即实现电网与负载间的双向能量流动，提高了系统在智能电网中的利用率。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于双向近场电能传输的电路拓扑结构
本专利技术涉及电力电子拓扑电路技术，尤其涉及一种适用于双向近场电能传输的电路拓扑结构。
技术介绍
近场电能传输是通过将高频电路通过原边线圈转化为交变电磁场，副边线圈中产生的高频感应电流经整流电路转化为直流输出。近年来，该技术已经普遍应用于智能手机的无线充电产品中，另外此技术在家用机器人、工业机器人、电动汽车领域亦具有广阔的应用前景。为了提高能量传输距离和效率，可以分别在原边线圈和副边线圈增加谐振补偿网络，即构成磁谐振。目前现有的谐振补偿网络的谐振频率由补偿网络中电感或电容、线圈自感或互感决定，在线圈间相对位置发生变化时，线圈自感及线圈间互感和耦合系数均会发生相应变化，另外在不同工作温度环境下，线圈结构中铁氧体的磁导率也会发生变化，进而导致线圈电气参数发生变化。此外，由于批量生产造成的电感误差及电容误差也无法避免。因此，在实际工作中，谐振频率会发生一定程度的变化，若开关频率偏离谐振频率过多，会造成高频逆变器的硬开关及过多无功功率损耗等严重问题；若开关频率跟随谐振频率变化，则系统在不同工况下将占用较大的频率带宽资源，而一方面国内及国际相关标准均对工作频率范围进行了限定，另一方面，较宽的工作频率范围将使系统电磁兼容设计更加复杂，且增加系统成本。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供了一种适用于双向近场电能传输的电路拓扑结构。实现本专利技术目的的技术方案为：一种适用于双向近场电能传输的电路拓扑结构，包括输入直流电源U1、全桥逆变电路、原边谐振动态补偿网络、原边线圈3Li1、副边线圈3Lo1、副边谐振动态补偿网络、全桥同步整流电路及负载电池U2，所述全桥逆变电路、原边谐振动态补偿网络与副边谐振动态补偿网络、全桥同步整流电路的具体拓扑结构关于原边线圈3Li1、副边线圈3Lo1对称；所述输入直流电源U1、全桥逆变电路、原边谐振动态补偿网络依次连接，所述原边谐振动态补偿网络输出端分别与原边线圈3Li1的两端连接，所述副边线圈3Lo1的两端分别与副边谐振动态补偿网络的输入端连接，所述原边线圈3Li1、副边线圈3Lo1同名端相对，所述副边谐振动态补偿网络的输出端与全桥同步整流电路的输入端连接，全桥同步整流电路的输出端与负载电池U2的两端连接。优选地，所述全桥逆变电路包括第一母线电容CBUS1、四个开关管Qi1-Qi4，所述第一母线电容CBUS1的正极与输入直流电源U1的正极连接，所述第一母线电容CBUS1的负极与输入直流电源U1的负极连接，所述四个开关管Qi1-Qi4连接成逆变H桥，逆变H桥的正极与第一母线电容CBUS1的正极连接，逆变H桥的负极与第一母线电容CBUS1的负极连接。优选地，所述原边谐振动态补偿网络包括第一补偿电感Lif、第一等效阻抗模块、第一串联电容Ci1、第一并联电容Cif，其中，所述第一补偿电感Lif的一端与全桥逆变电路的一个输出端连接，所述第一补偿电感Lif的另一端与第一等效阻抗模块的一端连接，所述第一等效阻抗模块的另一端与第一串联电容Ci1的一端连接，所述第一并联电容Cif的一端与所述第一等效阻抗模块的另一端连接，所述第一并联电容Cif的另一端与全桥逆变电路的另一个输出端连接，所述第一并联电容Cif的另一端以及第一串联电容Ci1的另一端作为原边谐振动态补偿网络的两个输出端。优选地，所述副边谐振动态补偿网络包括第二补偿电感Lof、第二等效阻抗模块、第二串联电容Co1、第二并联电容Cof，所述第二串联电容Co1的一端与副边线圈3Lo1的同名端连接，所述第二串联电容Co1的另一端与第二等效阻抗模块的一端连接，所述第二等效阻抗模块的另一端与第二补偿电感Lof的一端连接，所述第二并联电容Cof的一端与第二串联电容Co1的另一端连接，所述第二并联电容Cof的另一端与副边线圈3Lo1的非同名端连接，所述第二补偿电感Lof的另一端以及第二并联电容Cof的另一端分别作为副边谐振动态补偿网络的两个输出端，所述第二等效阻抗模块具体为：并联在一起的开关电容与补偿开关，或串联在一起的开关电容与补偿开关。优选地，全桥同步整流电路包括第二母线电容CBUS2以及四个开关管Qo1-Qo4，四个开关管Qo1-Qo4连接成连接成逆变H桥，逆变H桥的两个输入端分别与副边谐振动态补偿网络的两个输出端连接，所述逆变H桥的正极与第二母线电容CBUS2的正极连接，所述逆变H桥的负极与第二母线电容CBUS2的负极连接，所述第二母线电容CBUS2的的正极、负极同时与负载电池U2的正负极连接。在正向能量流动时，原边线圈为交变电磁场发射线圈，副边线圈为接收线圈。在逆向能量流动时，原边线圈转换为接收线圈，副边线圈为交变电磁场发射线圈，全桥逆变电路中逆变H桥转换为整流H桥的工作模式，同理，全桥同步整流电路中整流H桥转换为逆变H桥的工作模式，由于所述系统电路拓扑的对称性，原副边谐振动态补偿网络的工作原理也发生对称转换。本专利技术近场电能传输系统的控制策略为：检测所述全桥逆变电路的输出电压与输出电流间的相位差，检测所述全桥同步整流的输入电压与输入电流间的相位差，检测系统中所述全桥逆变的输入电压及输入电流，检测系统中所全桥同步整流的输出电压与输出电流，综合以上检测得到的各输入信号通过控制算法计算出所述第一补偿开关和第二补偿开关的占空比及时序、所述全桥逆变的移相控制的移相角度、所述输入直流电源的电压，所述控制算法可以通过单片机MCU或数字信号处理器DSP实现。控制目标为通过调整上述控制量得到目标输出电压、输出电流或输出功率，同时实现所述全桥逆变的输出电压与输出电流间的相位差达到设定值。本专利技术与现有技术相比，其显著效果为：1)本专利技术通过改变原副边补偿开关的PWM占空比实现连续动态调整原副边谐振补偿网络的等效阻抗，以降低系统中无功功率损耗并实现软开关，因此本专利技术能够在不同工况下实现高效率能量传输；2)本专利技术原副边谐振动态补偿网络可有效抵消器件误差带来的影响，从而使近场电能传输系统具备复杂工况下的高性能与高可靠性，降低关键器件设计制造难度及成本，进而具备实际应用价值；3)本专利技术能够实现在不同复杂工况下均可工作在某一恒定频率。4)本专利技术电路拓扑具有对称性，不需增加额外电路结构，即可实现能量的双向传输，能够规模化接入智能电网，更加合理有效地利用电网进行充放电。下面结合附图说明对本专利技术做进一步说明。附图说明图1是本专利技术电路拓扑图。图2是本专利技术第一补偿开关和第二补偿开关的实现形式示意图。图3是本专利技术第一开关电容和第二开关电容的实现形式示意图。图4是本专利技术的半桥逆变电路实现方式示意图。图5是本专利技术补偿开关的零电压开关波形图。图6是本专利技术所述电路拓扑的系统应用及控制策略示意图。图7是本专利技术所述电路拓扑在原边线圈自感Li1变化及动态补偿前后的波形对比示意图。图8是本专利技术所述电路拓扑在副边线圈自感Lo1变化及动态补偿前后的波形对比示意图。图9是本专利技术所述电路拓扑在原副边线圈间耦合系数k变化及动态补偿前后的波形对比示意图。具体实施方式为了更加清楚地描述本专利技术的思想，技术方案和优点，具体实施方式通过实施例和附图来表明。显然地，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在未付出创造性劳动前提下所获得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于双向近场电能传输的电路拓扑结构，其特征在于，包括输入直流电源U1、全桥逆变电路(1)、原边谐振动态补偿网络(2)、原边线圈3Li1、副边线圈3Lo1、副边谐振动态补偿网络(4)、全桥同步整流电路(5)及负载电池U2，所述全桥逆变电路(1)、原边谐振动态补偿网络(2)与副边谐振动态补偿网络(4)、全桥同步整流电路(5)的具体拓扑结构关于原边线圈3Li1、副边线圈3Lo1对称；所述输入直流电源U1、全桥逆变电路(1)、原边谐振动态补偿网络(2)依次连接，所述原边谐振动态补偿网络(2)输出端分别与原边线圈3Li1的两端连接，所述副边线圈3Lo1的两端分别与副边谐振动态补偿网络(4)的输入端连接，所述原边线圈3Li1、副边线圈3Lo1同名端相对，所述副边谐振动态补偿网络(4)的输出端与全桥同步整流电路(5)的输入端连接，全桥同步整流电路(5)的输出端与负载电池U2的两端连接。

【技术特征摘要】
1.一种适用于双向近场电能传输的电路拓扑结构，其特征在于，包括输入直流电源U1、全桥逆变电路(1)、原边谐振动态补偿网络(2)、原边线圈3Li1、副边线圈3Lo1、副边谐振动态补偿网络(4)、全桥同步整流电路(5)及负载电池U2，所述全桥逆变电路(1)、原边谐振动态补偿网络(2)与副边谐振动态补偿网络(4)、全桥同步整流电路(5)的具体拓扑结构关于原边线圈3Li1、副边线圈3Lo1对称；所述输入直流电源U1、全桥逆变电路(1)、原边谐振动态补偿网络(2)依次连接，所述原边谐振动态补偿网络(2)输出端分别与原边线圈3Li1的两端连接，所述副边线圈3Lo1的两端分别与副边谐振动态补偿网络(4)的输入端连接，所述原边线圈3Li1、副边线圈3Lo1同名端相对，所述副边谐振动态补偿网络(4)的输出端与全桥同步整流电路(5)的输入端连接，全桥同步整流电路(5)的输出端与负载电池U2的两端连接。2.根据权利要求1所述的适用于双向近场电能传输的电路拓扑结构，其特征在于，所述全桥逆变电路(1)包括第一母线电容CBUS1、四个开关管Qi1-Qi4，所述第一母线电容CBUS1的正极与输入直流电源U1的正极连接，所述第一母线电容CBUS1的负极与输入直流电源U1的负极连接，所述四个开关管Qi1-Qi4连接成逆变H桥，逆变H桥的正极与第一母线电容CBUS1的正极连接，逆变H桥的负极与第一母线电容CBUS1的负极连接。3.根据权利要求1所述的适用于双向近场电能传输的电路拓扑结构，其特征在于，所述原边谐振动态补偿网络(2)包括第一补偿电感Lif、第一等效阻抗模块、第一串联电容Ci1、第一并联电容Cif，其中，所述第一补偿电感Lif的一端与全桥逆变电路(1)的一个输出端连接，所述第一补偿电感Lif的另一端与第一等效阻抗模块的一端连接，所述第一等效阻抗模块的另一端与第一串联电容Ci1的一端连接，所述第一并联电容Cif的一端与所述第一等效阻抗模块的另一端连接，所述第一并联电容Cif的另一端与全桥逆变电路(1)的另一...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建科，
申请(专利权)人：李建科，
类型：发明
国别省市：江苏,32