[發(fā)明專利]一種用于無線電能傳輸的高倍頻逆變電路

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510315212.3
• 申請日: 2015-06-09
• 公開（公告）號: CN104993732B
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發(fā)明（設計）人: 錢中南;王睿馳;杜進;吳建德;何湘寧
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H02M7/5387
• 分類號: H02M7/5387;H02M7/539
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發(fā)明屬于無線電能傳輸技術領域，具體涉及一種用于無線電能傳輸的高倍頻逆變電路。

背景技術

隨著現(xiàn)代信息技術的飛速發(fā)展，越來越多的移動設備、便攜設備和植入設備在人們生活中獲得廣泛應用，這些產品包括在消費電子領域的手機、筆記本電腦，醫(yī)療儀器領域的植入式醫(yī)療設備以及電動汽車等。然而，這些可移動設備的供電問題是當今需要解決的重要問題之一。傳統(tǒng)的有線輸電方式存在電線摩擦、老化等問題，影響用電設備的壽命和用電安全。此外，有線方式不能滿足一些特殊應用場合的需要，如植入式醫(yī)療設備的充電。無線電能傳輸方式可以很好地解決這些問題，由于其利用電磁場耦合進行無線輸電，不僅省去電線和插座，還使得電能利用更加靈活、寬廣。

無線電能傳輸主要有三種基本方式：電磁感應耦合方式、非輻射磁共振耦合方式、微波輻射方式。微波輻射方式，在功率較大時會對人體和生物造成傷害而具有很大的局限性。因此，電磁感應耦合方式和非輻射磁共振耦合方式是無線電能傳輸的主要實現(xiàn)方式。這兩種方式在具體實現(xiàn)時，均需要將直流電源通過高頻逆變器轉化為高頻交流電，再經由無線電能發(fā)射電路進行電能發(fā)射。

高頻逆變電路產生的交流電頻率，決定無線電能傳輸的品質因數。通常，頻率越高，品質因數越大，傳輸效率越高。傳統(tǒng)橋式逆變電路受限于功率半導體器件的開關頻率，輸出交流電頻率等于開關頻率。而開關頻率受限于開關損耗和半導體器件的物理極限，不能任意增大。所以，無線電能傳輸的品質因數和效率受到工作頻率無法大幅提高的限制。

公開號為CN102857134A的中國專利提出了一種無線電能傳輸裝置的高頻逆變電源及其倍頻控制方法，該高頻逆變電源由n個逆變單元并聯(lián)構成，每套逆變單元的工作頻率相同，且每套逆變單元內的驅動脈沖占空比小于或者等于1/(2n)，n個逆變單元依次工作1/n個開關周期，各個逆變單元驅動脈沖依次滯后360/n度，以此實現(xiàn)高頻逆變電源的輸出電壓頻率或電流頻率為每個逆變單元的n倍，實現(xiàn)n倍頻逆變器。但這種方法有一定局限性：由于其控制方法要求每套逆變單元內的驅動脈沖占空比小于或者等于1/(2n)，導致隨著倍頻數n的增大，脈寬時間減小，當脈寬時間減小到等于或小于逆變單元內開關器件的開通和關斷時間時，逆變單元將無法正常輸出脈沖，該方法將失效；這種控制方法對占空比的要求的根本原因是，采用了每個逆變單元并聯(lián)的拓撲結構，將n個逆變單元的輸出取或運算，在時域上對脈沖進行移相拼接，實現(xiàn)總的倍頻輸出。

發(fā)明內容

針對現(xiàn)有技術所存在的上述技術問題，本發(fā)明提供了一種用于無線電能傳輸的高倍頻逆變電路，能夠在開關頻率不變的情況下，輸出開關頻率n倍頻的交流電，避免了現(xiàn)有高頻逆變電路在倍頻數n很大時，驅動脈沖占空比過小而導致開關管無法正常輸出脈沖的問題。

一種用于無線電能傳輸的高倍頻逆變電路，包括：

兩個幅值相等的直流電壓源E1～E2；其中，直流電壓源E1的負極與直流電壓源E2的正極相連并接地，直流電壓源E1的正極與直流電壓源E2的負極之間產生直流電壓；

n組相互并聯(lián)的開關橋臂；所述的開關橋臂由兩個開關管串聯(lián)組成，其利用所述的直流電壓通過開關動作產生方波功率信號，所述的兩個開關管串聯(lián)后連接于直流電壓源E1正極與直流電壓源E2負極之間；n為預設的目標倍頻數且為奇數；

控制電路，用于為n組開關橋臂對應提供n對開關驅動信號；

由n個電感組成的電感器，用于將n路方波功率信號進行疊加倍頻，產生一路n倍頻的方波功率信號；所述電感的一端與對應開關橋臂中兩個開關管的串聯(lián)接點相連，各電感的另一端共連并作為電感器的公共接點；

諧振電容器，用于與所述的電感器進行串聯(lián)諧振，并對n倍頻的方波功率信號中的基波分量進行提取及放大，得到一路n倍頻的正弦功率信號用以通過耦合無線傳輸；所述諧振電容器的一端與電感器的公共接點相連，另一端接地。

進一步地，所述的控制電路由DSP和驅動模塊組成，所述的驅動模塊將DSP產生的n對開關驅動信號進行功率放大后，對應提供給n組開關橋臂。

進一步地，所述的開關驅動信號為占空比為1/2的方波信號。

進一步地，相鄰兩對開關驅動信號的相位差為2π/n，每對開關驅動信號內的兩個開關驅動信號的相位差為π。

進一步地，所述開關橋臂產生的方波功率信號的占空比為1/2，相鄰兩個開關橋臂產生的方波功率信號的相位差為2π/n。