本發(fā)明涉及一種感應(yīng)電能傳輸技術(shù)，具體地說(shuō)是一種利用半諧振的e類(lèi)拓?fù)涮岣吒袘?yīng)電能傳輸效率的方法。

背景技術(shù)：

感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)可以通過(guò)共振感應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能傳播，低功率、近耦合的無(wú)線傳輸方法已經(jīng)在某些商業(yè)產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)了，現(xiàn)在研究興趣又出現(xiàn)在了中距離應(yīng)用上。在很多工業(yè)和商業(yè)的應(yīng)用中，ipt(inductivepowertransfer，感應(yīng)電能傳輸)系統(tǒng)必須能夠在中距離應(yīng)用時(shí)傳輸較高的功率并獲得較高的效率。目前，幾個(gè)研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)研究了幾種獲得高的鏈接效率的方法。第一種是工作在比較低的頻率(約幾十khz),通過(guò)使用場(chǎng)成型技術(shù)增加系統(tǒng)的耦合因素k，可以輕松實(shí)現(xiàn)高效的驅(qū)動(dòng)電路。但是場(chǎng)成型技術(shù)一般會(huì)占據(jù)較大的體積，需要大量的材料，制造成本昂貴，并且要求線圈精確地對(duì)齊。這些方案使場(chǎng)成型技術(shù)不適合于大多數(shù)應(yīng)用。第二種方法是在線圈大小確定時(shí)，在最合適的頻率下獲得最大功率傳輸。但是由于晶體管上的損耗使驅(qū)動(dòng)效率降低，因而減小了ipt系統(tǒng)的效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率低的不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種利用半諧振的e類(lèi)拓?fù)涮岣吒袘?yīng)電能傳輸效率的方法，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)ipt系統(tǒng)的高效率電能傳輸?shù)哪康摹?/p>

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明一種利用半諧振的e類(lèi)拓?fù)涮岣吒袘?yīng)電能傳輸效率的方法，包括以下步驟：

對(duì)電路中的元件進(jìn)行調(diào)諧，使開(kāi)關(guān)開(kāi)通前電壓先降到零，關(guān)斷前電流先降到零，避免開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓、電流的重疊；

對(duì)e類(lèi)射頻功率放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，通過(guò)將功率放大器和阻抗匹配電路整合到一個(gè)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)中以減少級(jí)數(shù)，避免額外的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中元件的損耗，同時(shí)提高驅(qū)動(dòng)和鏈接的效率。

對(duì)電路中的元件進(jìn)行調(diào)諧包括以下步驟：

對(duì)于一個(gè)不調(diào)諧的接收器，調(diào)節(jié)接收器的并聯(lián)諧振電容使接收器達(dá)到諧振；經(jīng)調(diào)諧后，如果接收器達(dá)到諧振后，用e類(lèi)功率放大器的調(diào)諧方法達(dá)到軟開(kāi)關(guān)運(yùn)行；

如果vds大于3.56vdd，場(chǎng)效應(yīng)管并聯(lián)電容cpar以5pf的整倍增加；

否則，如果vds＜3.56vdd，場(chǎng)效應(yīng)管并聯(lián)電容cpar以5pf的整倍減小來(lái)達(dá)到正確的vds，同時(shí)微調(diào)cser使驅(qū)動(dòng)保持軟開(kāi)關(guān)運(yùn)行。

還包括以下步驟：

將電路中的驅(qū)動(dòng)和負(fù)載分開(kāi)放置，在沒(méi)有強(qiáng)制通風(fēng)冷卻的情況下獨(dú)立散熱，通過(guò)穩(wěn)態(tài)散熱溫度測(cè)試推算功率，直流電源到負(fù)載的效率用如下公式計(jì)算:

其中，tamb為初始溫度，tssrx為接收線圈的散熱穩(wěn)態(tài)溫度，rthrx(t)為接收端負(fù)載的集總熱阻，pdc為輸入的直流功率。

rthrx(t)通過(guò)將已知的功率的直流電源加到rx負(fù)載直到溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)來(lái)標(biāo)度。

5.按權(quán)利要求3所述的利用半諧振的e類(lèi)拓?fù)涮岣吒袘?yīng)電能傳輸效率的方法，其特征在于：當(dāng)ipt系統(tǒng)測(cè)試開(kāi)始的時(shí)候，在同樣的保熱實(shí)驗(yàn)情況下測(cè)量穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度并通過(guò)溫度得到負(fù)載上消耗的功率。

本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明在高頻率、中距離、發(fā)射和接收線圈大小不一致、線圈不是準(zhǔn)確對(duì)齊的情況下實(shí)現(xiàn)ipt系統(tǒng)的高效率，并且保證系統(tǒng)能有較小的體積和重量。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種實(shí)施方式半諧振的e類(lèi)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明一種實(shí)施方式軟開(kāi)關(guān)過(guò)程示意圖；

圖3為本發(fā)明一種實(shí)施方式感應(yīng)能量傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)圖；

圖4為本發(fā)明一種實(shí)施方式半諧振的e類(lèi)拓?fù)涞恼{(diào)諧流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。

本發(fā)明利用半諧振的e類(lèi)拓?fù)涮岣吒袘?yīng)電能傳輸效率的方法，包括以下步驟：

對(duì)電路中的元件進(jìn)行調(diào)諧，使開(kāi)關(guān)開(kāi)通前電壓先降到零，關(guān)斷前電流先降到零，避免開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓、電流的重疊；

對(duì)e類(lèi)射頻功率放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，通過(guò)將功率放大器和阻抗匹配電路整合到一個(gè)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)中以減少級(jí)數(shù)，避免額外的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中元件的損耗，同時(shí)提高驅(qū)動(dòng)和鏈接的效率。

對(duì)電路中的元件進(jìn)行調(diào)諧包括以下步驟：

對(duì)于一個(gè)不調(diào)諧的接收器，調(diào)節(jié)接收器的并聯(lián)諧振電容c使接收器達(dá)到諧振，根據(jù)接收器并聯(lián)諧振計(jì)算得到諧振電容c的值，考慮到負(fù)載電阻的等效并聯(lián)電容，調(diào)諧時(shí)需要調(diào)整電容c的值比計(jì)算值小一點(diǎn)。

經(jīng)調(diào)諧后，如果接收器達(dá)到諧振后，用e類(lèi)功率放大器的調(diào)諧方法達(dá)到軟開(kāi)關(guān)運(yùn)行；

如果vds大于3.56vdd，諧場(chǎng)效應(yīng)管并聯(lián)電容cpar以5pf的整倍增加；

否則，如果vds＜3.56vdd，諧場(chǎng)效應(yīng)管并聯(lián)電容cpar以5pf的整倍減小來(lái)達(dá)到正確的vds，同時(shí)微調(diào)cser(用cser的最小調(diào)節(jié)步長(zhǎng)調(diào)節(jié)，適當(dāng)增加或減小，以保持軟開(kāi)關(guān)運(yùn)行)使驅(qū)動(dòng)保持軟開(kāi)關(guān)運(yùn)行。

半諧振的e類(lèi)拓?fù)鋱D如圖1所示，cser為串聯(lián)諧振電容，cpar為場(chǎng)效應(yīng)管并聯(lián)的電容，lp為發(fā)射線圈的電感，rps為發(fā)射線圈的電阻，rseq為接收端反映到發(fā)射端的等效電阻，cres為并聯(lián)諧振電容，lp、rps、rseq和cres構(gòu)成發(fā)射諧振回路，lchoke為濾波電感器，vdd為直流電源電壓，ωd為驅(qū)動(dòng)脈沖的角頻率，vds為場(chǎng)效應(yīng)管的漏源電壓，ωotx為初級(jí)諧振回路的諧振角頻率。

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)避免了額外的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)元件的損耗，提高了驅(qū)動(dòng)的效率。對(duì)電路中的元件進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)諧，使開(kāi)關(guān)開(kāi)通前電壓先降到零，關(guān)斷前電流先降到零，避免開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓、電流的重疊，從而減小開(kāi)關(guān)損耗，提高驅(qū)動(dòng)的效率。

圖1所示的拓?fù)鋵⒐β史糯笃骱妥杩蛊ヅ潆娐氛系揭粋€(gè)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)中，由于采用了半諧振e類(lèi)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使視在負(fù)載(發(fā)射線圈的電阻rps和等效的接收端的電阻rseq)和視在電感(發(fā)射線圈的電感l(wèi)p)增大，發(fā)射端的諧振角頻率為ωotx，接收端的諧振角頻率為ωorx，場(chǎng)效應(yīng)管門(mén)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)的工作角頻率為ωd，通過(guò)調(diào)諧使運(yùn)行過(guò)程中保證ωotx>ωorx≡ωd，可以提高驅(qū)動(dòng)和鏈接的效率。

本實(shí)施例中，輸入直流電壓vdd為60v，輸入直流功率pdc為90w。選擇包括de375-102n12a功率場(chǎng)效應(yīng)管和集成門(mén)驅(qū)動(dòng)的ixysrfixz421df12n100模塊作為驅(qū)動(dòng)模塊，該模塊具有高功率處理能力和納秒級(jí)的開(kāi)關(guān)能力，而且輸出電容coss(場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)電容)比較小。由于coss被cpar有效吸收，因此限制了ωd/ωotx(兩個(gè)角頻率的比值)的最大值。ωd/ωotx的最大值為0.82，運(yùn)行時(shí)不能超過(guò)這個(gè)臨界值。若超過(guò)這個(gè)臨界值會(huì)導(dǎo)致失調(diào)，不能達(dá)到軟開(kāi)關(guān)運(yùn)行。cpar、cser和諧振電容采用dielectriclaboratoriesc40ah電容，由于它們有高的q值和低的等效串聯(lián)電阻。

濾波電感器lchoke保證只有從電源出來(lái)的直流電流流過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管。濾波電感器采用鐵粉芯，由于它具有低磁導(dǎo)率、高功率應(yīng)用的穩(wěn)定性和較高的自諧振頻率。為了避免負(fù)載電阻的串聯(lián)電感對(duì)調(diào)諧的影響，選擇金屬膜電阻器作為負(fù)載，阻值為21kω，它們?cè)诟哳l率下具有低電感表現(xiàn)和較高的功率處理能力。這種電阻，當(dāng)它的電阻和操作頻率增加時(shí)，并聯(lián)寄生電容也會(huì)增加。在6mhz下，金屬電阻的寄生電容的值約為2.8pf。當(dāng)設(shè)計(jì)負(fù)載網(wǎng)絡(luò)和選擇接收器的調(diào)諧電容的時(shí)候需要考慮到金屬電阻的寄生電容。調(diào)諧接收器時(shí)需要考慮負(fù)載電阻的寄生電容，保證接收器諧振，避免電容性電抗反映到發(fā)射端。

如圖2所示為軟開(kāi)關(guān)過(guò)程的示意圖。通過(guò)對(duì)電路中的元件進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)諧，使開(kāi)關(guān)開(kāi)通前電壓先降到零，關(guān)斷前電流先降到零，避免開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓、電流的重疊，從而大大減小了開(kāi)關(guān)損耗，提高驅(qū)動(dòng)效率。

感應(yīng)能量傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)如圖3所示，這個(gè)結(jié)構(gòu)包括直流電源單元，線圈驅(qū)動(dòng)(時(shí)脈產(chǎn)生器和含有阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的功率放大器)，發(fā)射線圈和接收線圈(從線圈中心到線圈中心的分隔距離為d)，一個(gè)可選的整流器和負(fù)載。

本實(shí)施例中，發(fā)射線圈中心和接收線圈中心的距離為30cm，發(fā)射線圈中心和接收線圈中心在同一水平線上。線圈之間的最小距離是23cm。線圈用直徑為1cm和厚度為1mm的銅管道制造。接收線圈為5匝，線圈直徑20cm；發(fā)射線圈為3匝，線圈直徑30cm。架子和線圈間隔器均使用有機(jī)玻璃，防止渦流造成損耗和測(cè)量誤差。線圈間隔器使線圈從管道的中心到管道的中心的距離為2cm，以減少線圈的鄰近效應(yīng)。用兩個(gè)松互感耦合線圈作為探針，通過(guò)傳輸系數(shù)測(cè)量獲得因素q。實(shí)驗(yàn)測(cè)得發(fā)射線圈和接收線圈均在接近于6mhz附近達(dá)到最大的因素q。

為了避免“地”的跳變和保證e類(lèi)運(yùn)行，集成門(mén)驅(qū)動(dòng)/場(chǎng)效應(yīng)管模塊的輸入直流母線和門(mén)信號(hào)保持盡可能的短；模塊、端口共享器和負(fù)載的接地軌道也要盡可能的短。接地層圍繞著標(biāo)準(zhǔn)低消耗的fr-4襯底兩層的所有元件放置，使電弧空隙在軌道和線圈旁邊元件的周?chē)?。所有的接地軌道要盡可能的短以減少它們的電阻和電感，但是要足夠?qū)拋?lái)防止由于過(guò)熱而起道。

為了達(dá)到半諧振e類(lèi)運(yùn)行狀態(tài)，必須進(jìn)行重復(fù)的調(diào)諧過(guò)程。半諧振的e類(lèi)拓?fù)涮岣吒袘?yīng)電能傳輸調(diào)諧流程圖如圖4所示。

調(diào)諧步驟如下：

1)考慮到負(fù)載電阻的等效并聯(lián)電容，要減小接收共振器的電容，才可以使接收器諧振。對(duì)于一個(gè)不調(diào)諧的接收器，由于從接收端反應(yīng)到發(fā)射端的等效電抗，需要改變發(fā)射端共振器的電容值。這改變了ωd/ωotx的比值，因此需要重新調(diào)諧cpar和cser。如果ωd/ωotx的比值開(kāi)始增加，可能會(huì)出現(xiàn)調(diào)諧驅(qū)動(dòng)所需的cpar比場(chǎng)效應(yīng)管的coss要低，使場(chǎng)效應(yīng)管不適合e類(lèi)運(yùn)行。

2)接收器達(dá)到諧振后，用e類(lèi)功率放大器的調(diào)諧方法達(dá)到軟開(kāi)關(guān)運(yùn)行。

3)cpar是額外并聯(lián)的電容，coss依賴于vds，調(diào)諧峰峰電壓進(jìn)一步提高效率。如果vds大于3.56vdd，cpar需要以5pf的整倍增加；

4)否則，如果vds＜3.56vdd，cpar需要以5pf的整倍減小來(lái)達(dá)到正確的vds。同時(shí)，cser需要輕微的調(diào)整使驅(qū)動(dòng)保持軟開(kāi)關(guān)運(yùn)行。

本實(shí)施例采用間接測(cè)量直流電源到負(fù)載效率的方法。將驅(qū)動(dòng)和負(fù)載(包括調(diào)諧電容)分開(kāi)放置，在沒(méi)有強(qiáng)制通風(fēng)冷卻的情況下獨(dú)立地散熱，通過(guò)精確的穩(wěn)態(tài)散熱溫度測(cè)試推算功率。精確地測(cè)量輸入功率，直流電源到負(fù)載的效率用如下公式計(jì)算:

tamb是初始溫度，tssrx是接收線圈的散熱穩(wěn)態(tài)溫度，rthrx(t)是接收端負(fù)載的集總熱阻，pdc是輸入的直流功率。rthrx(t)通過(guò)將已知的功率的直流電源加到rx負(fù)載直到溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)來(lái)標(biāo)度(通過(guò)直接在負(fù)載上加已知功率的電源，測(cè)量溫升，得到熱阻，即得到負(fù)載的rthrx(t)值)。當(dāng)ipt系統(tǒng)測(cè)試開(kāi)始的時(shí)候，在同樣的保熱實(shí)驗(yàn)情況下測(cè)量穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度并通過(guò)溫度得到功率。

雖然以上描述了本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但是本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的熟練技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這些僅是舉例說(shuō)明，可以對(duì)這些實(shí)施方式做出多種變更或修改，而不背離本發(fā)明的原理和實(shí)質(zhì)。本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求書(shū)限定。