申请/专利权人：南京航空航天大学;江苏展芯半导体技术股份有限公司

申请日：2019-06-28

公开（公告）日：2024-03-22

公开（公告）号：CN110212778B

主分类号：H02M3/335

分类号：H02M3/335;H02J50/12

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.22#授权;2024.03.12#著录事项变更;2019.10.08#实质审查的生效;2019.09.06#公开

摘要：本发明公开了一种非接触单管谐振变换器，包括原边和副边；其中：原边包括谐振逆变模块；谐振逆变模块包括原边电感、开关管，所述原边电感和开关管串联后并联在输入电压两端，还包括在所述原边电感和或开关管上分别并联谐振电容；副边包括依次连接的副边电感、高阶补偿网络、整流模块。本发明提出原边谐振电容不同的并联方法和副边采用高阶补偿网络，配合合理的参数设计，不仅可以实现准恒流输出，为无线充电提供了良好的闭环调节特性，而且实现了开关管的软开通，降低了开关管电压应力和电流应力，增加了参数设计自由度；副边整流桥可采用可控整流桥结构，在给出的控制方法下，调整整流桥负载为纯阻性，从而提高所提出拓扑的功率传输能力。

主权项：1.一种非接触单管谐振变换器，其特征在于：包括原边和副边；其中：所述原边包括谐振逆变模块；所述谐振逆变模块包括原边电感Lp、开关管S，所述原边电感Lp和开关管S串联后并联在输入电压Vin两端，还包括在所述原边电感Lp和或开关管S上分别并联谐振电容；所述副边包括依次连接的副边电感Ls、高阶补偿网络、整流模块；原边电感Lp和副边电感Ls耦合；所述谐振电容满足如下要求，使得所述谐振逆变模块中的原边电感电流具有准恒流特性，开关管S轻载下实现零电压开通，重载下同时实现零电压和零电流开通；当所述原边电感Lp和开关管S上分别并联第一谐振电容Cr1和第二谐振电容Cr2时： 当所述原边电感Lp或开关管S上并联谐振电容Cr时： 式中，Re为副边折合电阻，△t为原边谐振逆变模块中的开关管S关断时间，W为原边谐振逆变模块中的开关管S关断时谐振电容和原边电感Lp储存的能量之和。

全文数据：一种非接触单管谐振变换器技术领域本发明涉及一种非接触单管谐振变换器，属于无线充电的技术领域。背景技术无线能量传输技术WPT，WirelessPowerTransmission已经应用到电动汽车、自动导引运输车AGV，AutomatedGuidedVehicle、无人机、自动驾驶等领域，尤其是需要自动充电和无法人工充电的场合。相对于接触式供电，无线供电具有安全、灵活、无火花、少维护、可移动及易于实现自动化等优势。WPT主要通过感应耦合能量传输ICPT，InductivelyCoupledPowerTransmission、电磁耦合共振能量传输ERPT，Electro-magneticResonantPowerTransmission、射频能量传输RFPT，RadioFrequencyPowerTransmission、微波能量传输MPT，MicrowavePowerTransmission、激光能量传输LPT，LaserPowerTransmission等方式实现非接触式的能量传输。其中，ICPT是应用最广泛的WPT方式。逆变是ICPT必不可少的环节之一，最为常用的逆变拓扑均为多管结构。但对于中小功率场合来说，多管逆变由于成本较高，驱动复杂而性价比不高，因此低成本、驱动简单的单管逆变成为中小功率场合的更优选择。单管逆变的特殊性在于需借助谐振过程来实现DCAC的转换，故其开关管电压应力较高，分析较为困难。已有的研究表明，非接触式单管电路有Class-E和谐振反激式两种，其中Class-E由于4倍输入电压以上的开关管电压应力而应用价值很小。已有的非接触式谐振反激电路以下称非接触式单管谐振变换器在副边存在串联补偿和并联补偿两种补偿方式。串联补偿和并联补偿均没有参数设计自由度，这与实际应用需求不符；并联补偿呈容性的副边折合阻抗使得开关管电压应力和电流应力均较大，其中电压应力为3倍输入电压以上。产品化PFC模块的母线电压通常为400V左右，3倍输入电压以上的电压应力大大缩小了开关管选型范围。因此为了提高非接触式单管电路的应用价值，需要实现良好的输出特性，适当降低开关管电压应力和电流应力，增加参数设计自由度。发明内容发明目的：针对上述现有技术，提出一种非接触单管谐振变换器，实现了输出准恒流特性，改善了开关管电压应力，增加了参数设计自由度，解决了已有非接触单管电路因输出特性差、高开关管应力和缺乏参数设计自由度而应用价值不高的问题。技术方案：一种非接触单管谐振变换器，包括原边和副边；其中：所述原边包括谐振逆变模块；所述谐振逆变模块包括原边电感Lp、开关管S，所述原边电感Lp和开关管S串联后并联在输入电压Vin两端，还包括在所述原边电感Lp和或开关管S上分别并联谐振电容；所述副边包括依次连接的副边电感Ls、高阶补偿网络、整流模块。进一步的，所述谐振电容满足如下要求，使得所述谐振逆变模块中的开关管S轻载下实现零电压开通，重载下同时实现零电压和零电流开通；当所述原边电感Lp和开关管S上分别并联谐振电容Cr1和谐振电容Cr2时：当所述原边电感Lp或开关管S上并谐振电容Cr时：式中，Re为副边折合电阻，△t为原边谐振逆变模块中的开关管S关断时间，W为原边谐振逆变模块中的开关管S关断时谐振电容和原边电感Lp储存的能量之和。进一步的，所述高阶补偿网络由补偿电容C1、补偿电容C2、谐振电感L2组成，所述副边电感Ls与补偿电容C1串联连接后，再与补偿电容C2并联连接，然后与谐振电感L2串联连接；所述高阶补偿网络参数满足如下要求，使得所述非接触单管谐振变换器具有准恒流输出特性：式中，w为所述开关管S的开关角频率。进一步的，所述高阶补偿网络由补偿电容C和谐振电感L2组成，所述副边电感Ls与补偿电容C并联连接后，再与谐振电感L2串联连接；所述高阶补偿网络参数需满足如下要求，使得所述非接触单管谐振变换器具有准恒流输出特性：式中，w为所述开关管S的开关角频率。进一步的，所述整流模块包括整流器和滤波器，所述整流器为全桥整流或倍流整流或倍压整流，所述滤波器为LC滤波或C滤波。进一步的，所述整流器为可控整流桥，两个桥臂均由一只二极管与一只MOSFET串联连接组成，其中MOSFET为下管，所述MOSFET的控制特征量Dctr满足下式，调整整流桥负载的等效阻抗为纯阻性；其中，RL为负载电阻。进一步的，所述谐振逆变模块中的谐振电容、所述高阶补偿网络中的补偿电容、所述整流模块中的滤波电容是由串联和或并联的多个电容组成；所述高阶补偿网络中的谐振电感、所述整流模块中的滤波电感是由串联和或并联的多个电感组成。有益效果：本发明相比现有技术具有如下优点：1本发明公开了一种新型非接触单管谐振变换器，通过原边谐振电容和高阶补偿网络的参数设计，原边逆变模块中的开关管可在轻载下实现零电压开通，重载下同时实现零电压和零电流开通，且该变换器的原边电感电流呈现准恒流特性，输出呈现准恒流特性；2本发明利用高阶补偿网络调整副边折合阻抗性质为阻性或阻感性，降低了原边逆变模块中开关管电压应力和电流应力；3本发明利用高阶补偿网络增加参数设计自由度，在保证原边逆变模块中开关管软开通的情况下，可设计适应不同的输出指标，而串联或并联补偿不具备设计能力；4本发明利用可控整流桥可以调整整流桥负载等效阻抗性质为纯阻性，提高了所述新型非接触单管谐振变换器的功率传输能力；5本发明公开的新型非接触单管谐振变换器具有电路和驱动简单，工作可靠，成本低的优点。附图说明图1为本发明非接触单管谐振变换器的副边折合到原边的等效电路；图2为本发明非接触单管谐振变换器的原边电路的工作波形示意图；图3为谐振电容两端电压的基波分解图；图4为副边并联补偿的传统变换器结构示意图；图5为本发明实施例一的结构示意图；图6为本发明实施例一的仿真波形；图7为本发明实施例一的输出特性仿真结果；图8本发明实施例一与副边并联补偿结构的开关管电压应力对比结果；图9为本发明实施例一与副边并联补偿结构的开关管电流应力对比结果；图10为本发明实施例二的结构示意图；图11为本发明实施例三的结构示意图；图12为本发明整流模块为不控整流桥的输入侧电压电流仿真图；图13为本发明实施例二中整流模块控制逻辑的示意图；图14为本发明实施例二的仿真图；图15为本发明实施例四的结构示意图；图16为本发明实施例五的结构示意图；图中：Vin-电源电压，S-开关管，Cds1～Cds3-寄生电容，D01～D03-体二极管，Lp-非接触变压器原边电感，Ls-非接触变压器副边电感，M-原边电感和副边电感的互感，Cr1、Cr2、Cr-原边谐振电容，iL-非接触变压器原边电感电流，uc-谐振电容电压，us-开关管漏源极间电压，Re-副边折合电阻，C、C1、C2-副边高阶补偿网络中的补偿电容，L2-副边高阶补偿网络中的谐振电感，D1～D4-整流二极管，S3、S4-可控整流管，Co滤波电容，RL-负载，Vo-输出电压，vrec-整流桥前电压，irec-整流桥输入电流，uac、原边谐振电容基波电压，iac-非接触变压器原边电感电流基波电流，Vgs-开关管S的驱动信号，Io-输出电流，Vs-开关管S的电压应力，Is-开关管S的电流应力，vS3-S3的源漏极间电压，vS4-S4的源漏极间电压。具体实施方式下面结合附图对本发明做更进一步的解释。本发明的一种新型非接触单管谐振变换器，利用高阶补偿网络调整副边折合阻抗性质，在给出的参数设计方法下，实现了开关管的软开通，原边线圈电流具有准恒流特性，实现了输出准恒流特性，改善了开关管电压应力，增加了参数设计自由度，解决了已有非接触单管电路因输出特性差、高开关管应力和缺乏参数设计自由度而应用价值不高的问题。图1a所示为本发明新型非接触单管谐振变换器的等效电路，副边折合阻抗暂时近似为纯阻Re，图2所示为等效电路基础上的电路波形示意图。t0时刻，S处于导通状态，非接触变压器原边电感Lp释放能量结束，原边电感电流iL到零；t0～t1期间，原边电感Lp储存能量，iL增大；t1时刻，S关断，原边谐振电容Cr开始与Lp进行谐振；t2时刻，iL谐振到零，Cr的反向电压最大，S的漏源极电压us最大；t2～t3期间，Cr进行充电；t3时刻，uc等于Vin，S的体二极管D01导通，同时，S开通，实现了ZVS；t3～t4期间，Lp释放能量到电源。实施例一图5为本发明非接触单管谐振变换器的第一实施例结构示意图。如图5所示，Lp与Cr并联连接后，一端与电源正极相连，另一端与S的漏极相连，S的源极与电源负极相连，Ls与C1串联连接后，再与C2并联连接，然后与L2串联连接，最后连接至不控整流桥的两个桥臂中点，Co与RL并联连接后，再并联在不控整流桥的输出端子。式1给出了S关断期间谐振过程的时域微分表达式：由式1可推导计算出S关断期间iL和uc的时域表达式，如式2所示，其中，I0＝iLt1，wr为开关管S关断期间的谐振角频率，为原边电感电流的相移角，I0为t1时刻原边电感电流。可见，在S关断期间，为t时刻的电路能量衰减速率。因此，S实现ZVS的条件为如式3所示，其中，t1时刻Cr和Lp所储存的总能量t1时刻，原边电感电流可由式4计算：由图2可知，在t2时刻，当iL谐振到0时，开关管S两端电压最高，Tr为开关管S关断期间的谐振周期。此时，谐振元件中的能量均转移到Cr上，如式5所示：由式5可解出开关管S的电压应力，如式6所示，T为S的开关周期，Tr为S关断期间Lp、Cr和Re的谐振周期。对开关管S的电压应力进行泰勒级数分解和一定的近似，如式7所示：图3所示为对Cr两端电压进行基波分解，可见，基波电压幅值Uac约为Cr两端电压峰峰值的一半，即为开关管S的电压应力的一半，即故Cr两端基波电压具有准恒压特性。图1b所示为本发明型非接触单管谐振变换器的AC等效电路，原非接触变压器原边电感电流基波电流如式8所示，Iac为非接触变压器原边电感电流基波电流幅值，w为S的开关角频率。可见，所述非接触单管谐振变换器的原边线圈基波电流具有准恒流的特性。本实施例非接触单管谐振变换器需按照以下设计流程进行设计：第一步，给定Po，Vin，Lp，f，Re，其中Po为输出功率，f为S的开关频率；第二步，由式3解出Cr的范围；第三步，第二步中取等号时，可由式6、式8计算Iac；第四步，当前输出功率若Po'不满足输出功率要求，则调整Re，转第二步；第五步，由式6计算开关管电压应力，若不满足要求，则调整Re，转第二步；第六步，由Re＝ReZeq，进行高阶补偿网络参数设计，其中，Zeq为副边折合阻抗。高阶补偿网络优选参数关系：显然，存在一个参数设计自由度。在整流桥负载为纯阻性的前提下，副边折合阻抗为纯阻性，相对副边并联补偿来说，开关管S电压应力和电流应力均相对较小。在上述参数设计情况下，新型非接触单管谐振变换器的输出电流表达式如式9所示，结合式8，可以看出，该变换器具有输出准恒流特性。根据以上参数设计流程，下面给出一组副边采用高阶补偿网络的新型非接触单管谐振变换器的saber仿真参数：Vin＝400V，f＝40kHz，Lp＝95.9μH，Cr＝106.4nF，Ls＝97.8μH，M＝29μH，C1＝378.7nF，C2＝282.7nF，L2＝56μH，Co＝650μF。若非接触单管谐振变换器副边采用并联补偿，如图4所示，补偿电容与非接触变压器副边电感满足关系其中Cp为副边并联补偿电容。整流桥负载基波等效为纯阻，则副边折合阻抗如式10所示：显然为容性，因此从开关管电压应力表达式可看出，Vs增大，Iac增大，相应的，开关管电流应力增大。下面给出副边采用并联补偿时的一组sabe仿真参数：Vin＝400V，f＝40kHz，Lp＝95.9μH，Cr＝106.4nF，Ls＝97.8μH，M＝29μH，Cp＝161nF，Co＝650μF。图6所示为在上述副边采用高阶补偿网络的新型非接触单管谐振变换器参数设计下，S同时实现零电压和零电流开通的仿真波形；图7所示为输出电流VS负载电阻，呈现为输出准恒流特性。图8、图9所示为上述两组参数下，开关管电压应力和电流应力的对比，显然，副边采用高阶补偿网络相对于并联补偿拥有较低的开关管电压应力和电流应力。实施例二图10所示为本发明新型非接触单管谐振变换器的第二实施例结构示意图。原边电路结构与实施例一相同，Ls与C并联连接后，连接至不控整流桥的两个桥臂中点，Co与RL并联连接后，再并联在不控整流桥的输出端子。原边谐振电容的设计与实施例一相同，高阶谐振网络的优选参数关系显然此时不具备参数设计自由度，但可调节L2，使高阶谐振网络工作在失谐状态，以满足输出指标。实施例三图11所示为本发明新型非接触单管谐振变换器的第三实施例结构示意图。如图11所示，谐振逆变模块和高阶补偿模块与实施例一结构相同，参数设计流程与实施例一相同，整流模块为可控整流桥，两个桥臂均由一只二极管与一只MOSFET串联连接组成，其中MOSFET为下管，Co与RL并联连接后，再并联在可控整流桥的输出端子。不控整流桥负载等效阻抗在上文中近似为纯阻性，但由于高次谐波电流影响，其等效阻抗为阻感性，图12所示为不控整流桥的输入侧电压和电流波形，显然基波电流滞后于基波电压。忽略电路中的寄生参数，式11给出整流桥负载等效阻抗表达式以及功率传输能力表达式：式中，Zrec为整流桥负载等效阻抗，Pcap为不控整流下的新型非接触单管谐振变换器的功率传输能力，θ为整流桥负载等效阻抗角。本实施例通过控制整流桥桥臂的通断，调节整流桥输入侧基波电压和基波电流的相位关系，从而达到调整整流桥等效阻抗为纯阻性的目的。图13所示为可控整流桥的控制逻辑，当irec由正变负时，S3的体二极管D02导通，一段时间后关断S4，在D02导通期间开通S3；当irec由负变正时，S4的体二极管D03导通，一段时间后关断S3，在D03导通期间开通S4；令D02导通时刻为起始时刻ta，S4关断时刻为tb，或D03导通时刻为起始时刻ta，S3关断时刻为tb，定义Dctr＝1-2tb-taT，则当Dctr满足式12时，可将整流桥负载等效阻抗调整为纯阻性，如图14所示，即cosθ＝1，副边折合阻抗的感性消失，根据上文中Iac的表达式式8可知，此时Iac亦有所增大。因此，结合式11可知，采用可控整流桥可提高所述非接触单管谐振变换器的功率传输能力。实施例四图15为本发明新型非接触单管谐振变换器的第四实施例结构示意图。如图15所示，Lp与Cr1并联连接后，一端与电源正极相连，另一端与S的漏极相连，S的源极与电源负极相连，Cr2并联在S两端，Ls与C1串联连接后，再与C2并联连接，然后与L2串联连接，最后连接至不控整流桥的两个桥臂中点，Co与RL并联连接后，再并联在不控整流桥的输出端子。本实施例的参数设计方法与实施例一相同，其中Cr＝Cr1+Cr2，Cr1和Cr2的大小关系可以任意配置。实施例五图16为本发明新型非接触单管谐振变换器的第四实施例结构示意图。如图16所示，Lp一端与电源正极相连，另一端与S的漏极相连，S的源极与电源负极相连，Cr2并联在S两端，Ls与C1串联连接后，再与C2并联连接，然后与L2串联连接，最后连接至不控整流桥的两个桥臂中点，Co与RL并联连接后，再并联在不控整流桥的输出端子。本实施例的参数设计方法与实施例一相同，其中Cr＝Cr2。本发明提出副边采用高阶补偿网络，配合合理的参数设计，不仅可以实现准恒流输出，为无线充电提供了良好的闭环调节特性，而且实现了开关管的软开通，降低了开关管电压应力和电流应力，增加了参数设计自由度，可适应不同输出指标。本发明还提出副边采用可控整流桥，调整整流桥负载性质，提高了新型非接触单管谐振变换器的功率传输能力，大大提高了非接触单管电路的应用价值。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。

权利要求：1.一种非接触单管谐振变换器，其特征在于：包括原边和副边；其中：所述原边包括谐振逆变模块；所述谐振逆变模块包括原边电感Lp、开关管S，所述原边电感Lp和开关管S串联后并联在输入电压Vin两端，还包括在所述原边电感Lp和或开关管S上分别并联谐振电容；所述副边包括依次连接的副边电感Ls、高阶补偿网络、整流模块。2.根据权利要求1所述的非接触单管谐振变换器，其特征在于：所述谐振电容满足如下要求，使得所述谐振逆变模块中的原边电感电流具有准恒流特性，开关管S轻载下实现零电压开通，重载下同时实现零电压和零电流开通；当所述原边电感Lp和开关管S上分别并联谐振电容Cr1和谐振电容Cr2时：当所述原边电感Lp或开关管S上并谐振电容Cr时：式中，Re为副边折合电阻，△t为原边谐振逆变模块中的开关管S关断时间，W为原边谐振逆变模块中的开关管S关断时谐振电容和原边电感Lp储存的能量之和。3.根据权利要求1或2所述的非接触单管谐振变换器，其特征在于：所述高阶补偿网络由补偿电容C1、补偿电容C2、谐振电感L2组成，所述副边电感Ls与补偿电容C1串联连接后，再与补偿电容C2并联连接，然后与谐振电感L2串联连接；所述高阶补偿网络参数满足如下要求，使得所述非接触单管谐振变换器具有准恒流输出特性：式中，w为所述开关管S的开关角频率。4.根据权利要求1或2所述的非接触单管谐振变换器，其特征在于：所述高阶补偿网络由补偿电容C和谐振电感L2组成，所述副边电感Ls与补偿电容C并联连接后，再与谐振电感L2串联连接；所述高阶补偿网络参数需满足如下要求，使得所述非接触单管谐振变换器具有准恒流输出特性：式中，w为所述开关管S的开关角频率。5.根据权利要求1或2所述的非接触单管谐振变换器，其特征在于：所述整流模块包括整流器和滤波器，所述整流器为全桥整流或倍流整流或倍压整流，所述滤波器为LC滤波或C滤波。6.根据权利要求5所述的非接触单管谐振变换器，其特征在于，所述整流器为可控整流桥，两个桥臂均由一只二极管与一只MOSFET串联连接组成，其中MOSFET为下管，所述MOSFET的控制特征量Dctr满足下式，调整整流桥负载的等效阻抗为纯阻性；其中，RL为负载电阻。7.根据权利要求3所述的非接触单管谐振变换器，其特征在于：所述谐振逆变模块中的谐振电容、所述高阶补偿网络中的补偿电容、所述整流模块中的滤波电容是由串联和或并联的多个电容组成；所述高阶补偿网络中的谐振电感、所述整流模块中的滤波电感是由串联和或并联的多个电感组成。8.根据权利要求4所述的非接触单管谐振变换器，其特征在于：所述谐振逆变模块中的谐振电容、所述高阶补偿网络中的补偿电容、所述整流模块中的滤波电容是由串联和或并联的多个电容组成；所述高阶补偿网络中的谐振电感、所述整流模块中的滤波电感是由串联和或并联的多个电感组成。

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