CN106253689A - Ipt系统高增益能量注入型推挽拓扑电路、控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种IPT系统高增益能量注入型推挽拓扑电路、控制系统及控制方法，IPT系统由原边电路和副边电路组成，在原边电路上还串联有至少一个开关管，通过调整开关管的导通与截止，实现逆变电路和谐振网络的通断。本发明通过在原边电路上串联至少一个开关管，通过调节该开关管的导通周期控制逆变桥开关管S1和S2的通断，控制系统的能量注入，实现高增益输出，提高输入输出增益的调节范围，以及实现稳压调节功能。

Description

IPT系统高增益能量注入型推挽拓扑电路、控制系统及控制 方法

技术领域

本发明涉及IPT(Inductively Power Transfer，感应电能传输)系统能量注入型推挽拓扑电路技术，具体涉及一种IPT系统高增益能量注入型推挽拓扑电路、控制系统及控制方法。

背景技术

在IPT系统中，系统是通过磁场松耦合的方式实现电能无线传输，使得系统的整体增益受到限制。现有的拓扑补偿结构输出增益普遍较低，系统的功率调节需外加控制或辅助电路才能实现，这在一定程度上增加了系统的复杂性。如何设计IPT系统的拓扑电路，以便实现高增益输出，提高功率的调节范围，以及稳压调节功能具有重要的现实意义。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种IPT系统高增益能量注入型推挽拓扑电路、控制系统及控制方法。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种IPT系统高增益能量注入型推挽拓扑电路，IPT系统由原边电路和副边电路组成，所述原边电路设置有电感L_DC，所述电感L_DC的一端连接直流电源一极，另一端连接逆变桥电路，所述逆变桥电路包括两个桥臂，第一桥臂包括串联的第一相分电感L₁和第一开关管S₁，第二桥臂包括串联的第二相分电感L₂和第二开关管S₂，原边电路输出端分别与原边谐振电感Lp和原边补偿电容Cp相连，其中，所述原边谐振电感Lp和原边补偿电容Cp并联，所述副边电路包括副边谐振电感Ls、副边补偿电容Cs、整流桥和负载R，所述副边谐振电感Ls与副边补偿电容Cs并联，所述副边谐振电感Ls输出的电流经整流桥整流后传输给负载R，为负载R供电；该高增益能量注入型推挽拓扑电路在所述原边电路上还串联有至少一个开关管，通过调整开关管的导通与截止，实现逆变电路和谐振网络的通断。

该高增益能量注入型推挽拓扑电路通过在原边电路上串联至少一个开关管，通过调节该开关管的导通周期控制逆变桥开关管S1和S2的通断，控制系统的能量注入，实现高增益输出，提高输入输出增益的调节范围，以及实现稳压调节功能。

在本发明的一种优选实施方式中，所述原边电路上串联有两个开关管S₃和S₄，所述开关管S₃和开关管S₄同时导通与截止，且所述开关管S₃和开关管S₄导通时，开关管S₁和开关管S₂有且只有一个导通。通过设置两个开关管，提高了电路的稳定性。

在本发明的另一种优选实施方式中，开关管S₁和S₂的占空比为D，且0.5≤D<1，开关管S₃和S₄的占空比为1-D。通过调节开关管的占空比调节输入输出增益，实现输出电压的稳定调节。

在本发明的另一种优选实施方式中，所述副边电路还包括滤波电路，所述滤波电路包括滤波电容C_f和滤波电感L_f，所述滤波电容C_f与所述负载R并联，所述滤波电感L_f串联于所述整流桥向所述负载R的供电线路上。滤除供电中的杂散信号，保证负载稳定工作。

在本发明的另一种优选实施方式中，输入输出增益为：

$\left|\frac{V_O}{V_{in}}\right|=\frac{{\mathrm{\&omega;MR}}_{eq}}{(1-D)\sqrt{{\&lsqb;{\mathrm{\&omega;L}}_p{Z}_S+{\mathrm{\&alpha;\&omega;C}}_s{R}_{eq}\&rsqb;}^2+{(\mathrm{\&alpha;}-{\mathrm{\&omega;}}^2{L}_p{C}_s{Z}_S{R}_{eq})}^2}},$

其中，α＝R_pZ_S+ω²M²，谐振频率Ls为副边谐振电感，Cs为副边补偿电容，M为互感，R_eq＝π²R/8为负载等效到整流之前的阻抗，D为开关管S1和S2的占空比，Lp为原边谐振电感，副边总阻抗为：

忽略线圈内阻，化简为：

$Z_s=\frac{1/R_{eq}+j(\frac{{\mathrm{\&omega;L}}_s}{R_{eq}^2}-{\mathrm{\&omega;C}}_s+{\mathrm{\&omega;}}^3{L}_s{C}_s^2)}{{\mathrm{\&omega;}}^2{C}_s^2+1/R_{eq}^2}.$

通过调节开关管的占空比D，可调节输入输出增益，实现输出电压的稳定调节。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种IPT系统高增益能量注入型推挽拓扑电路的控制系统，其包括本发明的IPT系统高增益能量注入型推挽拓扑电路和控制单元，所述控制单元的输出端与开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃和开关管S₄的控制端相连，所述控制单元控制开关管S₃和开关管S₄同时导通与截止，且所述开关管S₃和开关管S₄导通时，所述控制单元控制开关管S₁和开关管S₂有且只有一个导通。

通过控制单元实现开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃和开关管S₄的导通与截止，控制系统的能量注入，实现高增益输出，提高功率的调节范围，以及稳压调节功能。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第三个方面，本发明提供了一种IPT系统高增益能量注入型推挽拓扑电路的控制方法，其包括如下模式：

(一)，控制单元控制开关管S₂、S₃、S₄导通，S₁关断，电感L₁中储存的能量通过开关管S₄和S₃传递到原边谐振网络，电感L₂处于储能状态，电感L₁放电；

(二)，控制单元控制开关管S₃、S₄截止，并控制开关管S₁、S₂导通，电感L₁和L₂都工作在能量储存状态，原边谐振网络与逆变电路断开，原边谐振网络进入自由振荡模态；

(三)，控制单元控制开关管S₁、S₃、S₄导通，S₂关断，电感L₂中储存的能量通过开关管S₃和S₄的传递到原边谐振网络，电感L₁处于储能状态，电感L₂放电；

(四)，控制单元控制开关管S₁、S₂导通，开关管S₃、S₄关断，电感L₁和L₂都工作在能量储存状态，原边谐振网络与逆变电路断开，原边谐振网络进入自由振荡模态。

本发明通过控制单元控制开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃和开关管S₄的导通与截止，实现系统的能量注入，实现高增益输出，提高功率的调节范围，以及稳压调节功能。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一种优选实施方式中IPT系统高增益能量注入型推挽拓扑电路的结构示意图；

图2是图1所示电路的开关管驱动时序图；

图3是图1中所示电路的工作模式图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供了一种IPT系统高增益能量注入型推挽拓扑电路，如图1所示，IPT系统由原边电路和副边电路组成，原边电路设置有电感L_DC，电感L_DC的一端连接直流电源V_in的正极，另一端连接逆变桥电路，逆变桥电路连接直流电源V_in的负极，逆变桥电路包括两个桥臂，第一桥臂包括串联的第一相分电感L₁和开关管S₁，第二桥臂包括串联的第二相分电感L₂和开关管S₂，原边电路输出端分别与原边谐振电感L_p和原边补偿电容C_p相连，其中，原边谐振电感L_p和原边补偿电容C_p并联，副边电路包括副边谐振电感L_s、副边补偿电容Cs、整流桥和负载R，副边谐振电感Ls与副边补偿电容C_s并联。副边谐振电感Ls输出的电流经整流桥整流后传输给负载R，为负载R供电。

副边电路还包括滤波电路，所述滤波电路包括滤波电容C_f和滤波电感L_f，所述滤波电容C_f与所述负载R并联，所述滤波电感L_f串联于所述整流桥向所述负载R的供电线路上。滤除供电中的杂散信号，保证负载稳定工作。

原边为能量发射端，直流电源Vin与电感L_DC串联形成一个准电流源，在稳态运行时两个输入电感L₁、L₂将输入电流均分，使得谐振网络的输入是一个电流型方波，幅值为电源I_d电流一半，两个相分电感L₁和L₂与开关管S₁、S₂组成逆变桥。电流方波经原边谐振网络L_P、C_P形成高频交变磁场，通过发射线圈L_P给副边拾取电路传能。副边是一个并联型谐振网络L_S、C_S，副边谐振网络经二极管D1～D4形成的整流桥和电感L_f、电容C_f滤波电路后，完成能量变换给负载供能。

该高增益能量注入型推挽拓扑电路在原边电路上还串联有至少一个开关管，通过调整开关管的导通与截止，实现逆变电路和谐振网络的通断。

在本实施方式中，原边电路上串联有两个开关管S₃和S₄，开关管S₃和开关管S₄同时导通与截止，且开关管S₃和开关管S₄导通时，开关管S₁和开关管S₂有且只有一个导通。通过设置两个开关管，提高了电路的稳定性。

在本实施方式中，开关管S₁和S₂的占空比为D，且0.5≤D<1，开关管S₃和S₄的占空比为1-D。通过调节占空比调节输入输出增益，实现输出电压的稳定调节。

本发明还提供了一种IPT系统高增益能量注入型推挽拓扑电路的控制系统，其包括本发明的IPT系统高增益能量注入型推挽拓扑电路和控制单元，所述控制单元的输出端与开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃和开关管S₄的控制端相连，所述控制单元控制开关管S₃和开关管S₄同时导通与截止，且所述开关管S₃和开关管S₄导通时，所述控制单元控制开关管S₁和开关管S₂有且只有一个导通。

通过控制单元实现开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃和开关管S₄的导通与截止，控制系统的能量注入，实现高增益输出，提高功率的调节范围，以及稳压调节功能。

本发明还提供了一种IPT系统高增益能量注入型推挽拓扑电路的控制方法，其包括如下模式：

(一)，控制单元控制开关管S₂、S₃、S₄导通，S₁关断，电感L₁中储存的能量通过开关管S₄和S₃传递到原边谐振网络，电感L₂处于储能状态，电感L₁放电；

(二)，控制单元控制开关管S₃、S₄截止，并控制开关管S₁、S₂导通，电感L₁和L₂都工作在能量储存状态，原边谐振网络与逆变电路断开，原边谐振网络进入自由振荡模态；

(三)，控制单元控制开关管S₁、S₃、S₄导通，S₂关断，电感L₂中储存的能量通过开关管S₃和S₄的传递到原边谐振网络，电感L₁处于储能状态，电感L₂放电；

(四)，控制单元控制开关管S₁、S₂导通，开关管S₃、S₄关断，电感L₁和L₂都工作在能量储存状态，原边谐振网络与逆变电路断开，原边谐振网络进入自由振荡模态。

采用本发明的控制方法控制图1所示电路的开关管驱动时序如图2所示。与谐振网络相连的反串联开关管S3、S4的作用是控制逆变电路和谐振网络的通断，从而控制能量的流通。从图2可看出，开关管S1、S2的驱动波形不是互补的，在一个开关周期内，如图3所示，可将系统的工作分为如下四个模态。

模态I(t0～t1)：此阶段为能量释放模态，如图3(a)所示。开关管S2、S3、S4导通，S1关断，电感L1中所储存的能量通过S4和S3传递到谐振网络。S2导通的同时，电感L2被短接，此时电感L2处于储能状态。电感L1放电，电流iL1逐渐下降，电感L2处于储能状态，电流iL2逐渐上升。

模态II(t1～t2)：此阶段为能量储存模态，如图3(b)所示。开关管S1、S2导通，电感L1和L2都工作在能量储存状态，电流都处于上升状态；S3、S4关断，谐振网络与逆变部分断开，并联谐振网络进入自由振荡模态。

模态III(t2～t3)：此阶段与模态I相似，能量处于释放模态，如图3(c)所示。开关管S1、S3、S4导通，S2关断，电感L2中所储存的能量通过S3和S4的传递到谐振网络，电感电流iL2逐渐下降。S1导通的同时，电感L1被短接，此时电感L1处于储能状态，电感电流iL1逐渐上升。

模态IV(t3～t4)：此阶段为能量储存模态，如图3(d)所示。开关管S1、S2导通，电感L1和L2都工作在能量储存状态，电流都处于上升状态；S3、S4关断，谐振网络与逆变部分断开，并联谐振网络进入自由振荡模态。

系统重复以上四种模态，通过调节开关管S3、S4的导通周期来控制S1和S2的通断，从而控制系统的能量注入，达到输出电压调节的功能。

假定系统的谐振周期为T，开关管S1、S2的占空比为D，相应地开关管S3、S4的占空比为(1-D)。系统工作在稳态时，流过相分电感L1和L2的电流大小相等，因此相分电感的储能相等。以单个相分电感L1中储能释能情况分析系统的输入输出增益。

稳态运行时，电源电流为I_d，因此流过相分电感的电流为I_d/2，假定谐振网络输入端口的电压有效值为U_AB，一个周期T中电感积蓄的能量与释放的能量相等，即有：

$V_{in}\frac{I_d}{2}DT=(U_{AB}-V_{in})\frac{I_d}{2}(1-D)T,$

可得：

$U_{AB}=\frac{V_{in}}{1-D},(0.5\&le;D<1),$

原边发射线圈上的谐振电流IP有效值为：

$I_p=U_{AB}/\sqrt{{\left({\mathrm{\&omega;L}}_p\right)}^2+{(R_p+Z_f)}^2},$

副边拾取电压VS为：

V_s＝ωMI_p，

在谐振条件ω²L_sC_s＝1下，输出电压可表示为：

$V_O=\frac{R_{eq}}{({\mathrm{j\&omega;C}}_S{R}_{eq}+1)}\frac{{\mathrm{j\&omega;MU}}_{AB}}{({\mathrm{j\&omega;L}}_p+R_p)Z_S+{\left(\mathrm{\&omega;}M\right)}^2},$

输入输出增益为：

$\left|\frac{V_O}{V_{in}}\right|=\frac{{\mathrm{\&omega;MR}}_{eq}}{(1-D)\sqrt{{\&lsqb;{\mathrm{\&omega;L}}_p{Z}_S+{\mathrm{\&alpha;\&omega;C}}_s{R}_{eq}\&rsqb;}^2+{(\mathrm{\&alpha;}-{\mathrm{\&omega;}}^2{L}_p{C}_s{Z}_S{R}_{eq})}^2}},$

其中，α＝R_pZ_S+ω²M²，谐振频率Ls为副边谐振电感，Cs为副边补偿电容，M为互感，R_eq＝π²R/8为负载等效到整流之前的阻抗，D为开关管S1和S2的占空比，Lp为原边谐振电感，副边总阻抗为：

忽略线圈内阻，化简为：

$Z_s=\frac{1/R_{eq}+j(\frac{{\mathrm{\&omega;L}}_s}{R_{eq}^2}-{\mathrm{\&omega;C}}_s+{\mathrm{\&omega;}}^3{L}_s{C}_s^2)}{{\mathrm{\&omega;}}^2{C}_s^2+1/R_{eq}^2}.$

通过调节占空比D可调节输入输出增益，实现输出电压的稳定调节。

根据输入输出增益表达式可知，影响系统增益的因素有谐振频率f、谐振参数、互感M、负载阻抗R、开关管占空比D。当一个系统确定时，谐振频率f和负载R通常是恒定的，因此系统可通过调节开关管S1、S2的占空比D来调节输入输出增益，同时也可实现输出电压的稳压调节。

系统的输出增益最主要的因素在于负载R和开关管的占空比D控制。在不同的负载情况下，系统的输出增益Gain都随开关管占空比D增大而上升，开关管的占空比越大，输出增益的变化率越明显。当开关管的占空比相同时，负载越大，输出增益也越大。

在不同的耦合系数情况下，系统的输出增益Gain都随开关管占空比D增大而上升，开关管的占空比越大，输出增益的变化率越明显。当开关管的占空比相同时，耦合系数越大，输出增益也越大。在耦合系数变化情况下，系统通过调节占空比都能实现较高的输出增益，且系统的效率在较大的负载范围内能保持高效运行，整个系统更适合于轻载运行。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种IPT系统高增益能量注入型推挽拓扑电路，IPT系统由原边电路和副边电路组成，所述原边电路设置有电感L_DC，所述电感L_DC的一端连接直流电源一极，另一端连接逆变桥电路，所述逆变桥电路包括两个桥臂，第一桥臂包括串联的第一相分电感L₁和开关管S₁，第二桥臂包括串联的第二相分电感L₂和开关管S₂，原边电路输出端分别与原边谐振电感Lp和原边补偿电容Cp相连，其中，所述原边谐振电感Lp和原边补偿电容Cp并联，所述副边电路包括副边谐振电感Ls、副边补偿电容Cs、整流桥和负载R，所述副边谐振电感Ls与副边补偿电容Cs并联，所述副边谐振电感Ls输出的电流经整流桥整流后传输给负载R，为负载R供电；

其特征在于：在所述原边电路上还串联有至少一个开关管，通过调整开关管的导通与截止，实现逆变电路和谐振网络的通断。

2.如权利要求1所述的IPT系统高增益能量注入型推挽拓扑电路，其特征在于：所述原边电路上串联有两个开关管S₃和S₄，所述开关管S₃和开关管S₄同时导通与截止，且所述开关管S₃和开关管S₄导通时，开关管S₁和开关管S₂有且只有一个导通。

3.如权利要求2所述的IPT系统高增益能量注入型推挽拓扑电路，其特征在于：开关管S₁和S₂的占空比为D，且0.5≤D<1，开关管S₃和S₄的占空比为1-D。

4.如权利要求1所述的IPT系统高增益能量注入型推挽拓扑电路，其特征在于：所述副边电路还包括滤波电路，所述滤波电路包括滤波电容C_f和滤波电感L_f，所述滤波电容C_f与所述负载R并联，所述滤波电感L_f串联于所述整流桥向所述负载R的供电线路上。

5.如权利要求1所述的IPT系统高增益能量注入型推挽拓扑电路，其特征在于：输入输出增益为：

$\left|\frac{V_O}{V_{in}}\right|=\frac{{\mathrm{\&omega;MR}}_{eq}}{(1-D)\sqrt{{\&lsqb;{\mathrm{\&omega;L}}_p{Z}_S+{\mathrm{\&alpha;\&omega;C}}_s{R}_{eq}\&rsqb;}^2+{(\mathrm{\&alpha;}-{\mathrm{\&omega;}}^2{L}_p{C}_s{Z}_S{R}_{eq})}^2}},$

其中，α＝R_pZ_S+ω²M²，谐振频率Ls为副边谐振电感，Cs为副边补偿电容，M为互感，R_eq＝π²R/8为负载等效到整流之前的阻抗，D为开关管S1和S2的占空比，Lp为原边谐振电感，副边总阻抗为：

忽略线圈内阻，化简为：

$Z_s=\frac{1/R_{eq}+j(\frac{{\mathrm{\&omega;L}}_s}{R_{eq}^2}-{\mathrm{\&omega;C}}_s+{\mathrm{\&omega;}}^3{L}_s{C}_s^2)}{{\mathrm{\&omega;}}^2{C}_s^2+1/R_{eq}^2}.$

6.一种权利要求1所述IPT系统高增益能量注入型推挽拓扑电路的控制系统，其特征在于：包括权利要求1所述的IPT系统高增益能量注入型推挽拓扑电路和控制单元，所述控制单元的输出端与开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃和开关管S₄的控制端相连，所述控制单元控制开关管S₃和开关管S₄同时导通与截止，且所述开关管S₃和开关管S₄导通时，所述控制单元控制开关管S₁和开关管S₂有且只有一个导通。

7.如权利要求6所述的控制系统，其特征在于：所述开关管S₁和S₂的占空比为D，且0.5≤D<1，开关管S₃和S₄的占空比为1-D。

8.一种权利要求1所述IPT系统高增益能量注入型推挽拓扑电路的控制方法，其特征在于：包括如下模式：

(一)，控制单元控制开关管S₂、S₃、S₄导通，S₁关断，电感L₁中储存的能量通过开关管S₄和S₃传递到原边谐振网络，电感L₂处于储能状态，电感L₁放电；

(二)，控制单元控制开关管S₃、S₄截止，并控制开关管S₁、S₂导通，电感L₁和L₂都工作在能量储存状态，原边谐振网络与逆变电路断开，原边谐振网络进入自由振荡模态；

(三)，控制单元控制开关管S₁、S₃、S₄导通，S₂关断，电感L₂中储存的能量通过开关管S₃和S₄的传递到原边谐振网络，电感L₁处于储能状态，电感L₂放电；

(四)，控制单元控制开关管S₁、S₂导通，开关管S₃、S₄关断，电感L₁和L₂都工作在能量储存状态，原边谐振网络与逆变电路断开，原边谐振网络进入自由振荡模态。

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于：所述开关管S₁和S₂的占空比为D，且0.5≤D<1，开关管S₃和S₄的占空比为1-D。