采用變頻軟開關(guān)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的非接觸供電系統(tǒng)及其驅(qū)動(dòng)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種采用變頻軟開關(guān)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的非接觸供電系統(tǒng)及其驅(qū)動(dòng)方法。所述系統(tǒng)包括初級(jí)回路和次級(jí)回路，初級(jí)回路傳送能量給次級(jí)回路，初級(jí)側(cè)控制裝置與輸入電壓檢測(cè)裝置、輸入電流檢測(cè)裝置CTi、驅(qū)動(dòng)電路、無線收發(fā)模塊相連，輸入電壓檢測(cè)裝置、輸入電流檢測(cè)裝置CTi分別檢測(cè)直流電源UDC的端電壓和電流，初級(jí)側(cè)控制裝置將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制第一開關(guān)管S1、第二開關(guān)管S2、第三開關(guān)管S3、第四開關(guān)管S4的驅(qū)動(dòng)電壓；次級(jí)側(cè)反饋控制裝置與負(fù)載電壓檢測(cè)裝置和負(fù)載電流檢測(cè)裝置CTO、無線收發(fā)模塊相連，負(fù)載電壓檢測(cè)裝置和負(fù)載電流檢測(cè)裝置CTO分別檢測(cè)負(fù)載RL的端電壓和電流。本發(fā)明的系統(tǒng)始終處于軟開關(guān)工作狀態(tài)，工作效率較高。
【專利說明】采用變頻軟開關(guān)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的非接觸供電系統(tǒng)及其驅(qū)動(dòng)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于非接觸供電領(lǐng)域，具體涉及一種變頻軟開關(guān)技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002]非接觸供電系統(tǒng)由兩個(gè)相互獨(dú)立的封閉系統(tǒng)構(gòu)成，可用在粉塵、潮濕和腐蝕性強(qiáng)的環(huán)境下。
[0003]在以前的文獻(xiàn)中，有些學(xué)者提出在非接觸系統(tǒng)中采用軟開關(guān)的方案。但采用的方法通常是間接判斷開關(guān)管是否工作在ZVS或ZCS狀態(tài)，這些方法的反應(yīng)速度較慢。在非接觸能量傳輸過程中，初級(jí)電感線圈4向次級(jí)電感線圈4傳遞能量的效率也很重要，這個(gè)效率受開關(guān)管工作頻率的影響，有些條件下非接觸能量傳輸較低，不能保證電路總效率最優(yōu)化。
[0004]國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有不少關(guān)于非接觸供電的專利，尚未見到有關(guān)直接根據(jù)效率值Π動(dòng)態(tài)調(diào)整開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)頻率的論文發(fā)表和專利公開。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種采用變頻軟開關(guān)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的非接觸供電系統(tǒng)及其驅(qū)動(dòng)方法，能夠有效提高非接觸供電系統(tǒng)的供電效率和可靠性。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是以下述方式實(shí)現(xiàn)的:一種采用變頻軟開關(guān)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的非接觸供電系統(tǒng)，包括初級(jí)回路和次級(jí)回路，初級(jí)回路傳送能量給次級(jí)回路，初級(jí)側(cè)控制裝置與輸入電壓檢測(cè)裝置、輸入電流檢測(cè)裝置CT1、驅(qū)動(dòng)電路、無線收發(fā)模塊相連，輸入電壓檢測(cè)裝置、輸入電流檢測(cè)裝置CTi分別檢測(cè)直流電源Udc的端電壓和電流，初級(jí)側(cè)控制裝置通過驅(qū)動(dòng)電路將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制第一開關(guān)管S1、第二開關(guān)管S2、第三開關(guān)管S3、第四開關(guān)管S4的導(dǎo)通和關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)電壓；次級(jí)側(cè)反饋控制裝置與負(fù)載電壓檢測(cè)裝置和負(fù)載電流檢測(cè)裝置CI^、無線收發(fā)模塊相連，負(fù)載電壓檢測(cè)裝置和負(fù)載電流檢測(cè)裝置CTtj分別檢測(cè)負(fù)載< 的端電壓和電流。
[0007]所述初級(jí)回路包括直流電源Udc,直流電源Udc與電容Cr、電感4相連，電容Cr與全橋逆變電路相連，全橋逆變電路與補(bǔ)償電容O、初級(jí)電感線圈4相連；全橋逆變電路由第一開關(guān)管S1、第二開關(guān)管S2、第三開關(guān)管S3、第四開關(guān)管S4組成；所述次級(jí)回路包括次級(jí)電感線圈4，次級(jí)電感線圈As與補(bǔ)償電容Cs相連，補(bǔ)償電容Cs與整流電路相連，整流電路與濾波電容C1、濾波電感Z7相連；濾波電容G與負(fù)載 < 相連。
[0008]一種采用變頻軟開關(guān)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的非接觸供電系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方法，是按照下述方式實(shí)現(xiàn)的:通過輸入電壓檢測(cè)裝置和輸入電流檢測(cè)裝置CTi檢測(cè)直流電源Udc的端口電壓Udc和電流4，得到電路的輸入功率通過負(fù)載電壓檢測(cè)裝置和負(fù)載電流檢測(cè)裝置CTq得到負(fù)載電壓U0,負(fù)載電流檢測(cè)裝置CTtj得到負(fù)載電流10，負(fù)載L兩端的電壓電流均為直流，消耗的功率/^=%χ/σ ;則電路總效率n =P0ZPin ；由初級(jí)側(cè)控制裝置I根據(jù)電路總效率η動(dòng)態(tài)調(diào)整開關(guān)管S^s4的驅(qū)動(dòng)頻率，以跟蹤效率值的峰值點(diǎn)，當(dāng)效率值達(dá)到極大值，則開關(guān)管S^s4在軟開關(guān)狀態(tài)下完成切換，電路中元器件的總損耗達(dá)到最小。
[0009]根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)的供電電路，通過計(jì)算可近似得到其初級(jí)電感線圈&和次級(jí)電感線圈As的耦合系數(shù)。當(dāng)電路處于諧振軟開關(guān)狀態(tài)時(shí)，將不同耦合系數(shù)條件下的諧振頻率保存在靜態(tài)存儲(chǔ)器的查找表中，利用其掉電不丟失信息的特性，實(shí)現(xiàn)記憶功能。電路正常工作時(shí)，通過實(shí)時(shí)計(jì)算耦合系數(shù)，根據(jù)不同當(dāng)前頻率與耦合系數(shù)，通過查找表得到諧振頻率值。將開關(guān)管S^s4的驅(qū)動(dòng)頻率調(diào)整到查找表的記錄值，使電路快速跟蹤諧振狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)頻率的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。本發(fā)明中非接觸供電系統(tǒng)始終處于軟開關(guān)工作狀態(tài)，工作效率較高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明的電路原理圖。
[0011]圖2是本發(fā)明的諧振直流環(huán)等效電路圖。
[0012]圖3是諧振直流環(huán)電路的仿真結(jié)果。
[0013]圖4是軟件流程圖。
[0014]圖5是初級(jí)電感線圈&兩端的工作電壓與電流波形圖。
[0015]圖6是全橋逆變電路的輸出電壓士似和電流波形。

【具體實(shí)施方式】
[0016]如圖1所示，一種非接觸供電系統(tǒng)，包括初級(jí)回路2和次級(jí)回路12，初級(jí)回路2傳送能量給次級(jí)回路12，初級(jí)側(cè)控制裝置I與輸入電壓檢測(cè)裝置3、輸入電流檢測(cè)裝置CTp驅(qū)動(dòng)電路4、無線收發(fā)模塊5相連，輸入電壓檢測(cè)裝置3、輸入電流檢測(cè)裝置CTi分別檢測(cè)直流電源Udc的端電壓和電流，初級(jí)側(cè)控制裝置I通過驅(qū)動(dòng)電路4將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)開關(guān)管S^S4導(dǎo)通和關(guān)斷的電壓；次級(jí)側(cè)反饋控制裝置11與負(fù)載電壓檢測(cè)裝置13和負(fù)載電流檢測(cè)裝置CTtj、無線收發(fā)模塊15相連，負(fù)載電壓檢測(cè)裝置13和負(fù)載電流檢測(cè)裝置CTtj分別檢測(cè)負(fù)載兄的端電壓和電流。
[0017]所述初級(jí)回路2包括直流電源Udc,直流電源Udc與電容Cr、電感4相連，電容Cr與全橋逆變電路7相連，全橋逆變電路7與補(bǔ)償電容初級(jí)電感線圈&相連；全橋逆變電路7由第一開關(guān)管S1、第二開關(guān)管S2、第三開關(guān)管S3、第四開關(guān)管S4組成；所述次級(jí)回路12包括次級(jí)電感線圈Ls,次級(jí)電感線圈Ls與補(bǔ)償電容Cs相連，補(bǔ)償電容Cs與整流電路14相連，整流電路14與濾波電容G、濾波電感乙相連；濾波電容G與負(fù)載兄相連。
[0018]所述變頻軟開關(guān)驅(qū)動(dòng)方法是按照下述方式實(shí)現(xiàn)的:根據(jù)輸入電壓檢測(cè)裝置3和輸入電流檢測(cè)裝置CTi檢測(cè)直流電源Udc的端口電壓Udc和電流iLr,得到電路的輸入功率
根據(jù)負(fù)載電壓檢測(cè)裝置13和負(fù)載電流檢測(cè)裝置CTtj得到負(fù)載電壓^負(fù)載電流檢測(cè)裝置CTtj得到負(fù)載電流T0,負(fù)載z兩端的電壓電流均為直流，消耗的功率/^=4X4 ;則電路總效率7;由初級(jí)側(cè)控制裝置I根據(jù)電路總效率η動(dòng)態(tài)調(diào)整開關(guān)管S^S4的驅(qū)動(dòng)頻率，以跟蹤效率值的峰值點(diǎn)，當(dāng)效率值達(dá)到極大值，則開關(guān)管S^s4在軟開關(guān)狀態(tài)下完成切換，電路中所有元器件的總損耗達(dá)到最小。
[0019] 如圖2所示，從全橋逆變電路7的輸出端a、輸出端b點(diǎn)向右看的電路可以等效成一個(gè)阻抗這個(gè)等效阻抗Zw的電抗部分為零，則等效成一個(gè)純電阻，全橋逆變電路7輸出到非接觸變壓器的電壓"/i)和電流i/i)同相。要使這個(gè)等效阻抗為純電阻，則需要輸出端a、輸出端b點(diǎn)向右看的電路處于諧振狀態(tài)，其諧振頻率設(shè)為/7，當(dāng)負(fù)載或其他參數(shù)變化時(shí)，之的值會(huì)隨之改變。
[0020]非接觸能量傳輸通過初級(jí)電感線圈4向次級(jí)電感線圈As以磁場(chǎng)形式傳遞能量。
[0021]要使非接觸能量傳輸效率達(dá)到最高，還要使初級(jí)電感線圈& (含補(bǔ)償電容C?和次級(jí)電感線圈As (含補(bǔ)償電容Cp也處于諧振狀態(tài)，其諧振頻率設(shè)為忍。此時(shí)，初級(jí)電感線圈4兩端的工作電壓與電流同相。當(dāng)初級(jí)電感線圈&和次級(jí)電感線圈4的相對(duì)位置或其他參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，其諧振頻率f2會(huì)隨之改變。
[0022]可以看出，要使電路的總效率達(dá)到最高，先要設(shè)定初級(jí)電感線圈&和次級(jí)電感線圈匕在某個(gè)相對(duì)位置條件下的諧振頻率忍等于額定負(fù)載下的;再采用自適應(yīng)方法調(diào)整開關(guān)管S^s4的驅(qū)動(dòng)頻率，以使電路的工作頻率盡量同時(shí)接近和忍，判斷其接近的方法是看效率是否達(dá)到峰值。這時(shí)可以近似稱為雙諧振狀態(tài)，處于該狀態(tài)的開關(guān)管S^S4的驅(qū)動(dòng)頻率稱為諧振頻率fr。
[0023]用諧振直流環(huán)電路使開關(guān)管S^S4同時(shí)在零電壓軟開關(guān)(ZVS)狀態(tài)下完成切換；使其同時(shí)處于(或接近于)零電壓和零電流雙諧振的軟開關(guān)狀態(tài)?？梢钥闯觯词褂袝r(shí)為了接近諧振頻率忍，偏離了諧振頻率Zr，開關(guān)管S^S4仍然可以在零電壓軟開關(guān)(ZVS)狀態(tài)下完成切換，確保開關(guān)管S^s4的開關(guān)損耗較小且非接觸能量傳輸效率較高。
[0024]本發(fā)明的核心思想是使電路的總效率最高，而不是僅追求開關(guān)管S1I4的開關(guān)損耗最小。
[0025]本發(fā)明中，先由負(fù)載電壓檢測(cè)裝置13檢測(cè)到負(fù)載電壓％，負(fù)載電流檢測(cè)裝置^^得到負(fù)載電流/σ。次級(jí)側(cè)反饋控制裝置11將負(fù)載< 的電壓和電流信號(hào)傳遞給無線收發(fā)模塊15，無線收發(fā)模塊15再將這些信號(hào)傳遞給無線收發(fā)模塊5，無線收發(fā)模塊5再將這些信號(hào)傳遞給初級(jí)側(cè)控制裝置I。由于負(fù)載Wz兩端的電壓為直流，初級(jí)側(cè)控制裝置I據(jù)此計(jì)算負(fù)載棘P0=U具。
[0026]初級(jí)側(cè)控制裝置I根據(jù)負(fù)載&的電壓(或功率)值調(diào)整開關(guān)管S^S4的占空比，使非接觸電路的負(fù)載維持所需的電壓或功率。
[0027]從非接觸供電系統(tǒng)的輸入電壓檢測(cè)裝置3和輸入電流檢測(cè)裝置CTi檢測(cè)的直流電源Udc端口的電壓UDC、電流信號(hào)iLr，得到電路的輸入功率/^=仏><4，則電路總效率H =P0/Pin0
[0028]需要指出的是，直流電源Udc端口的電壓Udc為直流，每次計(jì)算前只需測(cè)量一次測(cè)量；而電流信號(hào)是脈動(dòng)直流，每次計(jì)算前需測(cè)量多個(gè)值再取平均值得到，推導(dǎo)過程如下:
輸入電流可以用傅立葉公式分解得到:

【權(quán)利要求】
1.一種采用變頻軟開關(guān)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的非接觸供電系統(tǒng)，其特征在于包括初級(jí)回路(2)和次級(jí)回路(12)，初級(jí)回路(2)傳送能量給次級(jí)回路(12)，初級(jí)側(cè)控制裝置(I)與輸入電壓檢測(cè)裝置(3)、輸入電流檢測(cè)裝置CTp驅(qū)動(dòng)電路(4)、無線收發(fā)模塊(5)相連，輸入電壓檢測(cè)裝置(3)、輸入電流檢測(cè)裝置CTi分別檢測(cè)直流電源Udc的端電壓和電流，初級(jí)側(cè)控制裝置(I)通過驅(qū)動(dòng)電路(4)將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制第一開關(guān)管S1、第二開關(guān)管S2、第三開關(guān)管S3、第四開關(guān)管S4的導(dǎo)通和關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)電壓；次級(jí)側(cè)反饋控制裝置(11)與負(fù)載電壓檢測(cè)裝置(13)和負(fù)載電流檢測(cè)裝置CTtj、無線收發(fā)模塊(15)相連，負(fù)載電壓檢測(cè)裝置(13)和負(fù)載電流檢測(cè)裝置CTtj分別檢測(cè)負(fù)載< 的端電壓和電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用變頻軟開關(guān)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的非接觸供電系統(tǒng)，其特征在于:所述初級(jí)回路(2)包括直流電源?/ι，直流電源與電容Cr、電感4相連，電容Cr與全橋逆變電路(7 )相連，全橋逆變電路(7 )與補(bǔ)償電容初級(jí)電感線圈Lp相連；全橋逆變電路(7 )由第一開關(guān)管S1、第二開關(guān)管S2、第三開關(guān)管S3、第四開關(guān)管S4組成；所述次級(jí)回路(12)包括次級(jí)電感線圈As，次級(jí)電感線圈As與補(bǔ)償電容G相連，補(bǔ)償電容G與整流電路(14)相連，整流電路(14)與濾波電容6、濾波電感乙相連；濾波電容G與負(fù)載< 相連。
3.一種采用變頻軟開關(guān)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的非接觸供電系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于是按照下述方式實(shí)現(xiàn)的:通過輸入電壓檢測(cè)裝置(3)和輸入電流檢測(cè)裝置CTi檢測(cè)直流電源Udc的端口電壓Udc和電流iLr,得到電路的輸入功率/^=^><4 ;通過負(fù)載電壓檢測(cè)裝置13和負(fù)載電流檢測(cè)裝置CTtj得到負(fù)載電壓U0,負(fù)載電流檢測(cè)裝置CTtj得到負(fù)載電流Z0,負(fù)載ζ兩端的電壓電流均為直流，消耗的功率/^=%Χ/σ ;則電路總效率;由初級(jí)側(cè)控制裝置(I)根據(jù)電路總效率η動(dòng)態(tài)調(diào)整開關(guān)管S^S4的驅(qū)動(dòng)頻率，以跟蹤效率值的峰值點(diǎn)，當(dāng)效率值達(dá)到極大值，則開關(guān)管S^ s4在軟開關(guān)狀態(tài)下完成切換，電路中元器件的總損耗達(dá)到最小。
【文檔編號(hào)】H02J17/00GK104079076SQ201310107268
【公開日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2013年3月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月29日
【發(fā)明者】周成虎, 黃明明, 黃全振, 王克甫, 蔣威, 甕嘉民, 雷萬忠, 李照剛, 李娜, 陳濤 申請(qǐng)人:河南工程學(xué)院