[發(fā)明專利]一種無線電能傳輸E類激勵(lì)源的諧振驅(qū)動(dòng)裝置及其方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610536640.3
• 申請日: 2016-07-08
• 公開（公告）號: CN107592000A
• 公開（公告）日: 2018-01-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李強(qiáng);邵立偉;張志仁;葉劍橋
• 申請（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號: H02M1/08
• 分類號: H02M1/08;H02J50/12
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心32203
• 代理人: 朱顯國

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及諧振驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用于磁共振無線電能傳輸高頻激勵(lì)源的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)、高頻MHz范圍內(nèi)MOSFET的驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)導(dǎo)線供電方式不可避免的會產(chǎn)生傳輸損耗、線路老化、尖端放電等問題，大大降低了設(shè)備供電的可靠性和安全性，縮短了使用壽命。新興的磁耦合諧振式無線電能傳輸(WPT)技術(shù)于2007年被提出。因具有非輻射性、中等傳輸距離以及高效率的特性，為無線輸電技術(shù)的研究開辟了一個(gè)新的方向，應(yīng)用前景廣闊。

磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)的工作頻率達(dá)數(shù)MHz范圍。相較于傳統(tǒng)電力電子變換器，頻率的大幅提高意味著系統(tǒng)逆變電源的損耗成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮的方面，然而逆變電源的工作特性受驅(qū)動(dòng)電路的影響較大。驅(qū)動(dòng)功率不足將導(dǎo)致開關(guān)管處于線性區(qū)的時(shí)間增加，其開關(guān)損耗將急劇增加，在MHz高頻下尤為明顯。為了提高激勵(lì)源高頻下的工作效率，一般采用最優(yōu)占空比為50％的開關(guān)型E類功率放大電路。傳統(tǒng)的方波驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)存在功率損耗較大的問題，限制了功率變換器在高開關(guān)頻率下的應(yīng)用，已經(jīng)不能夠適用于E類激勵(lì)源的要求。在MHz的頻率范圍內(nèi)，多采用諧振驅(qū)動(dòng)的方式，直接利用柵極輸入電容產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號。現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)電路1(楊晉,蔡麗娟.MOSFET的諧極驅(qū)動(dòng)[J].電源世界,2006(1):44-46.)具有驅(qū)動(dòng)能量可以在充放電轉(zhuǎn)換過程中恢復(fù)，降低驅(qū)動(dòng)損耗；V_GS箝位提供快速啟動(dòng)和防止過驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。但也存在驅(qū)動(dòng)方式復(fù)雜，對驅(qū)動(dòng)MOS對管的要求高等不足之處。驅(qū)動(dòng)電路2(沈剛,王華民.利用附加電感實(shí)現(xiàn)高頻功率MOSFET諧振柵極驅(qū)動(dòng)[J].電氣傳動(dòng),2005,35(1):28-30.)具有較低的功率損耗和較快的開關(guān)時(shí)間、可以在較高頻率下工作的優(yōu)點(diǎn)。但也存在諧振電感的選取因柵極電容較大而取值較小，且存在易受柵極電容的不準(zhǔn)確性和充放電回路寄生電感的影響而無法工作的缺點(diǎn)。

綜上所述，上述方波驅(qū)動(dòng)成本高且損耗較大，而現(xiàn)有諧振驅(qū)動(dòng)電路能夠?qū)崿F(xiàn)較高頻率的工作要求，但也存在一些不足。因此提出一種簡單可靠、能夠適用于磁共振WPT激勵(lì)源MHz頻率范圍的諧振驅(qū)動(dòng)電路具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服磁耦合諧振式無線電能傳輸激勵(lì)源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的不足，本發(fā)明設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠穩(wěn)定的諧振驅(qū)動(dòng)電路，具體內(nèi)容如下：

本發(fā)明裝置的組成包括：集成驅(qū)動(dòng)器1，圖騰柱推挽電路2，附加諧振電路3，能量回饋電路4，負(fù)壓箝位電路5，MOSFET管6。裝置的連接關(guān)系：集成驅(qū)動(dòng)器1的輸出端連接圖騰柱推挽電路2的輸入端，圖騰柱推挽電路2的輸出連接附加諧振電路3的輸入端，而附加諧振電路3的輸出端分別與MOSFET管6的柵極端、能量回饋電路4的輸入端、負(fù)壓箝位電路5的一端相連接于一點(diǎn)，能量回饋電路4的輸出端反饋連接至圖騰柱推挽電路2，負(fù)壓箝位電路5的另一端連接與MOSFET管6的源極端，并直接接地。

附加諧振電路3由諧振電感Lr1和Lr2，保護(hù)二極管D1和D2組成。二極管D1的陽極連接圖騰柱推挽電路2，陰極連接諧振電感Lr1的一端，諧振電感Lr1的另一端分別與諧振電感Lr2的一端和MOSFET管6的柵極端相連接于一點(diǎn)，諧振電感Lr2的另一端與二極管D2的陽極相連接，二極管D2的陰極與圖騰柱推挽電路2連接。

能量回饋電路4由二極管D3的陽極與MOSFET管6的柵極端相連接，陰極與圖騰柱推挽電路2連接，負(fù)壓箝位電路5由二極管D4、儲能電容C3和穩(wěn)壓管ZD1組成，其中電容C3與穩(wěn)壓管ZD1并聯(lián)，穩(wěn)壓管ZD1的陰極與MOSFET管6的源極端連接，并直接接地，陽極與二極管D4的陽極相連接，二極管D4的陰極與MOSFET管6的柵極端相連接。

諧振電感Lr1和Lr2的選取原則按照其與輸入電容C_ISS的自諧振頻率等于驅(qū)動(dòng)信號的工作頻率來選取。

集成驅(qū)動(dòng)器1由一個(gè)CMOS集成驅(qū)動(dòng)器U1和兩個(gè)電容C1、C2，供電電源S1組成。集成驅(qū)動(dòng)器U1的供電引腳分別于接供電電源S1和兩個(gè)電容C1、C2相連接一點(diǎn)，集成驅(qū)動(dòng)器U1的接地引腳直接接地。

圖騰柱推挽電路2由PMOS管Q1和NMOS管Q2，以及供電電源S1組成，PMOS管Q1與NMOS管Q2的柵極與集成驅(qū)動(dòng)器U1的輸出引腳相連接與一起，PMOS管Q1的源極與供電電源S1、集成驅(qū)動(dòng)器U1的供電引腳、能量回饋二極管D3的陰極相連接與一點(diǎn)，其漏極與附加諧振電路中保護(hù)二極管D1的陽極相連，NMOS管Q2的柵極與保護(hù)二極管D2的陰極相連，源極直接接地。

諧振驅(qū)動(dòng)裝置的工作方法為：