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CN108199749B - 基于有源箝位正激逆变器的无线携能通信系统 - Google Patents

基于有源箝位正激逆变器的无线携能通信系统 Download PDF

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CN108199749B CN201810187649.7A CN201810187649A CN108199749B CN 108199749 B CN108199749 B CN 108199749B CN 201810187649 A CN201810187649 A CN 201810187649A CN 108199749 B CN108199749 B CN 108199749B
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Abstract

本发明公开了一种基于有源箝位正激逆变器的无线携能通信系统，包括时序调制模块、驱动电路、发射电路、无线电能接收电路、无线信号接收电路；所述发射电路包括输入电源、与输入电源相连接且包含有发射线圈的高频逆变器，所述无线电能接收电路包括能量接收线圈、谐振电容、负载，所述无线信号接收电路包括信号接收线圈、谐振电容、无线信号处理模块。本发明直接控制高频逆变器中时序调节谐波能量，利用发射线圈中流过的三角电流波的基波能量实现磁耦合无线供电，利用发射线圈中流过的三角电流波的谐波能量实现磁耦合无线通信，提高无线供电设备的功率输出能力，降低通信模块成本，减小发射电路的尺寸，具有广阔的应用前景。

Description

基于有源箝位正激逆变器的无线携能通信系统
技术领域
本发明涉及无线携能通信系统，尤其涉及一种基于有源箝位正激逆变器的无线携能通信系统。
背景技术
非辐射性磁耦合谐振作为新型无线供电技术，通过使两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合，而对周围非谐振频率的接收端只有较弱的耦合。磁耦合谐振系统包括发射谐振线圈、次级接收谐振线圈和负载。
无线供电应用场合通常需要无线通信，按照能量流与信息流的实现方式，主要分为单流模式和双流模式。双流模式采用能量流与信息流分开实现，如采用蓝牙等无线装置实现信息流，这种方式成本相对较高，电路复杂。而单流模式利用同一套装置实现能量流与信息流的复用。
传统的单流模式通信时会影响无线供电的品质，无线电能利用率不高。因此需要研究实现无线携能通信高效率工作电路方法，解决单流模式工作时无线通信影响无线供电品质的问题。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于有源箝位正激逆变器的无线携能通信系统。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于有源箝位正激逆变器的无线携能通信系统，包括发射电路、无线电能接收电路、无线信号接收电路、时序调制模块、驱动电路；其中，所述发射电路包括输入电源、与输入电源相连接且包含有发射线圈的有源箝位正激逆变器；所述时序调制模块向驱动电路输出控制信号；所述驱动电路根据控制信号控制所述有源箝位正激逆变器中的开关器件动作时序，向所述发射线圈传输死区时间可控的脉冲电压，在发射线圈中形成非对称电压激励波形；所述非对称电压波形在发射线圈中形成频率不变波形可变的三角电流波，所述三角电流波中的基波分量产生磁场，与无线电能接收电路产生磁共振耦合，无线电能接收电路接收磁共振耦合传递的基波能量，实现磁耦合谐振无线供电；所述无线信号接收电路接收发射线圈三角电流波信号中的谐波分量，实现无线通信。
所述有源箝位正激逆变器并联于输入电源的两端，所述有源箝位正激逆变器包括由第一开关管和第二开关管组成的桥臂，所述发射线圈的两端分别连接在输入电源正极和桥臂的中点。所述发射电路还包括一个并联于输入电源两端的输入电容。所述有源箝位正激逆变器还包括一个与第一开关管串联的箝位电容。
所述无线电能接收电路包括能量接收线圈、第一谐振电容、负载，所述能量接收线圈与第一谐振电容、负载分别相并联。
所述无线信号接收电路包括信号接收线圈、第二谐振电容、无线信号处理模块，所述信号接收线圈与第二谐振电容、无线信号处理模块分别相并联。
所述时序调制模块基于数字芯片或模拟芯片实现，产生非对称电压激励波形。基于模拟芯片实现的时序调制模块包括依次连接的单片机、低通滤波器、模拟芯片；单片机产生PWM可调信号，PWM可调信号通过低通滤波器后生成固定的直流电平，将该直流电平信号传输至能产生三角电流波时序信号的模拟芯片，与模拟芯片内部的高频三角波比较产生相应的驱动时序信号。
有益效果：本发明利用有源箝位正激逆变技术在发射线圈中生成三角电流波，通过三角电流波中的基波能量实现无线供电、谐波能量实现无线通信功能的方法，用于需要为无线电能供电的场合，实现高效率、高可靠性、低功耗的磁耦合无线供电与无线通信电路复用的解决方案。本发明的电路结构简单，无需单独通信模块，成本低；且通信时无需变频，无线通信信号传输时对无线供电品质影响较轻。
附图说明
图1是本发明基于有源箝位正激逆变器的无线携能通信系统的实现电路；
图2是本发明不同占空比条件下3次谐波能量变化；
图3是本发明基于模拟芯片生成三角电流波的功率开关管时序实现原理图；
图4是本发明有源箝位正激逆变器中生成三角电流波控制时序。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，本发明所述的基于有源箝位正激逆变器的无线携能通信系统，包括发射电路、无线电能接收电路、无线信号接收电路、时序调制模块、驱动电路。
发射电路包括输入电源V1、与输入电源相连接且包含有发射线圈L1的有源箝位正激逆变器；有源箝位正激逆变器并联于输入电源的两端，有源箝位正激逆变器包括由第一开关管Q1和第二开关管Q2组成的桥臂，发射线圈的两端分别连接在输入电源正极和桥臂的中点。发射电路还包括一个并联于输入电源两端的输入电容C1和一个与第一开关管串联的箝位电容C2。
无线电能接收电路包括能量接收线圈L2、第一谐振电容C3、负载R，能量接收线圈与第一谐振电容、负载分别相并联。无线信号接收电路包括信号接收线圈L3、第二谐振电容C4、无线信号处理模块，信号接收线圈与第二谐振电容、无线信号处理模块分别相并联。
时序调制模块产生两路控制信号给Q1、Q2，其中第1路控制信号给Q1，第2路控制信号给Q2。驱动电路根据控制信号控制有源箝位正激逆变器中的开关器件动作时序，向发射线圈传输死区时间可控的脉冲电压，在发射线圈中形成非对称电压激励波形；非对称电压波形在发射线圈中形成频率不变波形可变的三角电流波，三角电流波中的基波分量产生磁场，与无线电能接收电路产生磁共振耦合，无线电能接收电路接收磁共振耦合传递的基波能量，实现磁耦合谐振无线供电；无线信号接收电路接收发射线圈三角电流波信号中的谐波分量，实现无线通信。
时序调制模块可由高速数字芯片直接产生2路控制信号，也可由模拟芯片产生2路控制信号。时序调制模块基于模拟芯片构建的时序调制模块由以下部分组成：采用低成本的单片机产生PWM可调的信号，通过低通滤波器后生成固定的直流电平，不同电压的直流电平对应驱动时序信号的不同的占空比，将该直流电平信号传输至能产生三角电流波时序信号的模拟芯片，与模拟芯片内部的高频三角波比较产生对应的Q1、Q2驱动时序信号。
对发射线圈端电压矩形波进行傅里叶级数分解：
Figure BDA0001590765860000031
其中，u(t)是电压矩形波的瞬态值，Vin为直流电源电压，ω是电压矩形波的基波角频率，D是开关管Q1导通的占空比，k是谐波次数。由式(1)可知改变占空比，就可以动态改变电压矩形波各次谐波的幅值分量，即改变三角电流波各次谐波的幅值分量。
时序调制模块输出高频信号给驱动电路，并为Q1、Q2开关管提供高频工作所需的驱动能力，此时时序调制模块给开关管Q1、Q2提供的开关频率为f1＝2πω。其中，能量接受线圈电感量L2和谐振电容量C3决定的线圈频率与f1相同，即f1＝1/(2π√(L2C3))。由于发射线圈中电流所引起的磁场频率和接受线圈频率相同，因此接受线圈L2能够接受到磁谐振传递的能量并传递给负载。
当无需通信时，时序调制模块确保开关时序所产生的三角电流波不含有通信所需要的谐波能量；当需要通信时，时序调制模块确保开关时序所产生的三角电流波含有通信所需要的谐波能量。信号接受电路电感量L3和谐振电容量C4决定的线圈频率与谐波频率点相同，如3次谐波3f1＝1/(2π√(L3C4))。
本发明的基于数字控制的有源箝位正激逆变器的实施例的具体参数如下：输入电压V1为24VDC；输入电容1000uF；发射线圈L1为11.78uH；无线电能接受线圈L2谐振电感量为11.78uH；谐振电容值C3为54nF；无线通信信号接受线圈L3谐振电感量为89uH；谐振电容值C4为3.3nF；开关管Q1-Q2为PSMN013100BS；控制芯片为FPGA EP4CE6E22C8N；驱动芯片为UCC27211。
如图2所示，本发明在不同占空比条件下3次谐波能量变化，三角电流波的基波频率为200kHz，占空比分别为0.667和0.64。其中，工作点1占空比为0.667时没有3次谐波能量，对应数字信号“0”；工作点2占空比为0.664时有3次谐波能量，对应数字信号“1”。无线电能接受电路的谐振线圈频率点为200kHz，用于实现基波能量的无线传输。无线通信信号接受电路的谐振线圈频率点为600kHz，用于监测3次谐波能量信号。当时序调制模块控制开关时序时，则基波能量的频率点不变化，而开关时序的占空比变化导致谐波频率点能量的变化，实现无线通信。因此通过这样的实现方法，可以实现无线通信信号的传输，而对无线供电的影响降到最低。
如图3所示，基于模拟芯片生成三角电流波的功率开关管时序实现原理图，采用低成本的单片机产生PWM可调的信号，PWM可调的信号通过低通滤波器后生成固定的直流电平，不同电压的直流电平对应驱动时序信号不同的占空比，将该直流电平信号传输至能产生三角电流波时序信号的模拟芯片，与模拟芯片内部的高频三角波比较产生对应的Q1、Q2驱动时序信号。通过该方法，采用模拟芯片即可实现基于有源箝位正激逆变器的无线携能通信系统的低成本解决方案。
如图4所示，有源箝位正激逆变器发射线圈中生成三角电流波的功率开关管时序实现图，可见只需采用传统的控制策略即可实现对开关时序占空比的动态控制。
由以上分析可知，通过控制开关时序的占空比，即可实现接受线圈的无线电能传输和无线通信。通过这样的设计，无需单独构造通信模块，降低了系统的成本。

Claims (8)

1.一种基于有源箝位正激逆变器的无线携能通信系统，其特征在于：包括发射电路、无线电能接收电路、无线信号接收电路、时序调制模块、驱动电路；
其中，所述发射电路包括输入电源、与输入电源相连接且包含有发射线圈的有源箝位正激逆变器；
所述时序调制模块向驱动电路输出控制信号；所述驱动电路根据控制信号控制所述有源箝位正激逆变器中的开关器件动作时序，向所述发射线圈传输死区时间可控的脉冲电压，在发射线圈中形成非对称电压激励波形；
所述非对称电压激励波形在发射线圈中形成频率不变波形可变的三角电流波，所述三角电流波中的基波分量产生磁场，与无线电能接收电路产生磁共振耦合，无线电能接收电路接收磁共振耦合传递的基波能量，实现磁耦合谐振无线供电；所述无线信号接收电路接收发射线圈三角电流波信号中的谐波分量，实现无线通信。
2.根据权利要求1所述的基于有源箝位正激逆变器的无线携能通信系统，其特征在于：所述有源箝位正激逆变器并联于输入电源的两端，所述有源箝位正激逆变器包括由第一开关管和第二开关管组成的桥臂，所述发射线圈的两端分别连接在输入电源正极和桥臂的中点。
3.根据权利要求2所述的基于有源箝位正激逆变器的无线携能通信系统，其特征在于：所述发射电路还包括一个并联于输入电源两端的输入电容。
4.根据权利要求2所述的基于有源箝位正激逆变器的无线携能通信系统，其特征在于：所述有源箝位正激逆变器还包括一个与第一开关管串联的箝位电容。
5.根据权利要求1所述的基于有源箝位正激逆变器的无线携能通信系统，其特征在于：所述无线电能接收电路包括能量接收线圈、第一谐振电容、负载，所述能量接收线圈与第一谐振电容、负载分别相并联。
6.根据权利要求1所述的基于有源箝位正激逆变器的无线携能通信系统，其特征在于：所述无线信号接收电路包括信号接收线圈、第二谐振电容、无线信号处理模块，所述信号接收线圈与第二谐振电容、无线信号处理模块分别相并联。
7.根据权利要求1所述的基于有源箝位正激逆变器的无线携能通信系统，其特征在于：所述时序调制模块基于数字芯片或模拟芯片实现，产生非对称电压激励波形。
8.根据权利要求7所述的基于有源箝位正激逆变器的无线携能通信系统，其特征在于：基于模拟芯片实现的时序调制模块包括依次连接的单片机、低通滤波器、模拟芯片；单片机产生PWM可调信号，PWM可调信号通过低通滤波器后生成固定的直流电平，将该直流电平信号传输至能产生三角电流波时序信号的模拟芯片，与模拟芯片内部的高频三角波比较产生相应的驱动时序信号。
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