[發(fā)明專利]減小諧振變換器線圈損耗的分段串聯(lián)補償方法

有效

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• 申請日: 2020-10-21
• 公開（公告）號: CN112311204B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王懿杰;麥建偉;曾憲瑞;姚友素;張相軍;徐殿國
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H02M1/00
• 分類號: H02M1/00;H01F27/42;H02J50/12
• 代理公司: 哈爾濱華夏松花江知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 23213
• 代理人: 楊曉輝

一種減小諧振變換器線圈損耗的分段串聯(lián)補償方法，屬于電力電子諧振變換器技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明針對現(xiàn)有諧振變換器線圈寄生電容造成的線圈損耗采用集中式串聯(lián)補償，使系統(tǒng)體積增大，并影響系統(tǒng)的傳輸效率和功率密度的問題。包括：對于低頻工作條件下的諧振線圈，按線圈繞制順序在其線圈的相鄰層之間依次串聯(lián)層間補償電容進行單層分段補償；并按諧振線圈的等效模型確定層間補償電容的值；對于高頻工作條件下的諧振線圈，按線圈繞制順序在其線圈的每相鄰匝之間依次串聯(lián)匝間補償電容進行單匝分段補償，并按諧振線圈的等效模型確定匝間補償電容的值。本發(fā)明有效地減小了系統(tǒng)體積，提高了系統(tǒng)的傳輸效率和功率密度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及減小諧振變換器線圈損耗的分段串聯(lián)補償方法，屬于電力電子諧振變換器技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

諧振變換器是電力電子變換器中非常常見的一種電能變換裝置。電感或者變壓器所用的線圈是諧振變化器的核心元件，其損耗占比往往比較大。

以感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)為例，松耦合變壓器的線圈損耗在系統(tǒng)總的損耗的占比較大，且耦合系數(shù)越低，往往線圈的損耗占比越大，而線圈寄生電容的損耗是線圈的主要損耗之一。寄生電容的損耗會隨著頻率和電感值的增加而增加，在耦合系數(shù)較小的無線電能傳輸系統(tǒng)中，往往需要提高頻率或者線圈的自感值來提升系統(tǒng)的功率傳輸能力，所以寄生電容的損耗也大大增加，導(dǎo)致線圈的品質(zhì)因數(shù)降低。在一些應(yīng)用中，由于灌膠和繞制方式等因素，導(dǎo)致線圈的寄生電容增加，品質(zhì)因數(shù)降低，即使耦合系數(shù)比較高，寄生電容的損耗也比較大。研究人員建立了不同的諧振線圈寄生電容模型，但是設(shè)計思路大都是通過增加相鄰兩匝線圈之間的間距減小寄生電容，這種做法能減弱寄生電容的影響，但是線圈寄生電容的損耗并不能被大幅度降低，沒有從根本上解決問題，而且往往導(dǎo)致松耦合變壓器的尺寸大大增加。寄生電容的不良影響限制了感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)在許多場合的應(yīng)用，嚴(yán)重阻礙了該技術(shù)的進一步發(fā)展。

寄生電容對線圈的影響在高距徑比、遠距離的無線電能傳輸應(yīng)用中表現(xiàn)十分明顯。為了提高系統(tǒng)的傳輸能力，研究人員通常采用兩種方法。第一種方法是選擇較低的工作頻率，此時需要采用具有大自感的單層電磁線圈，該方法的缺點是極大地增加了系統(tǒng)體積。第二種方法是讓系統(tǒng)工作在較高頻率，同時設(shè)計線圈稀疏，但該方法的參數(shù)敏感性非常高，并且系統(tǒng)所占體積也較大。就以上兩種方法而言，龐大的系統(tǒng)體積都顯著縮小了功率密度。除此之外，上述方法采用的低頻大電感線圈或高頻線圈都使得寄生電容的影響非常顯著。首先，寄生電容較低的品質(zhì)因數(shù)會使線圈的整體品質(zhì)因數(shù)明顯減小，降低了系統(tǒng)傳輸效率；其次，寄生電容引起的額外損耗還會降低系統(tǒng)功率等級，進一步減小了系統(tǒng)的功率密度。高距徑比、遠距離的感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)，寄生電容的影響比較明顯。低頻條件下，例如國際電動汽車充電標(biāo)準(zhǔn)J2954中的85kHz，多層緊密繞制時寄生電容的影響同樣不能被忽略。

因此，一種減小線圈寄生電容影響的方案亟待提出。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有諧振變換器線圈寄生電容造成的線圈損耗采用集中式串聯(lián)補償，使系統(tǒng)體積增大，并影響系統(tǒng)的傳輸效率和功率密度的問題，本發(fā)明提供一種減小諧振變換器線圈損耗的分段串聯(lián)補償方法。

本發(fā)明的一種減小諧振變換器線圈損耗的分段串聯(lián)補償方法，包括，

按預(yù)設(shè)區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)，將諧振線圈按工作頻率的高低分為低頻工作條件下的諧振線圈和高頻工作條件下的諧振線圈；

所述工作頻率的高低以諧振線圈的參數(shù)而定，為相對值；

對于低頻工作條件下的諧振線圈，按線圈繞制順序在其線圈的相鄰層之間依次串聯(lián)層間補償電容進行單層分段補償；并按諧振線圈的等效模型確定層間補償電容的值；

對于高頻工作條件下的諧振線圈，按線圈繞制順序在其線圈的每相鄰匝之間依次串聯(lián)匝間補償電容進行單匝分段補償，并按諧振線圈的等效模型確定匝間補償電容的值。

根據(jù)本發(fā)明的減小諧振變換器線圈損耗的分段串聯(lián)補償方法，所述層間補償電容的計算方法包括：