基于低頻pwm整流器及補償電容的無線充電裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線充電技術領域，尤其設及一種磁禪合諧振式無線充電裝置，具體 地說是一種基于低頻PWM整流器及補償電容的無線充電裝置。
【背景技術】
[0002] 相對于傳統(tǒng)有線充電方式，無線充電方式具有使用安全方便、無火花及機械磨損 等問題，并能夠適應多種惡劣環(huán)境。無線充電方式主要依靠無線電能傳輸技術來實現(xiàn)，無線 電能傳輸技術主要包括福射式、電磁感應式和磁禪合諧振式=種方式，其中磁禪合諧振式 無線電能傳輸技術因其傳輸距離、功率及效率等方面的綜合優(yōu)勢獲得了廣泛的應用。
[0003] 磁禪合諧振式無線電能傳輸技術能在具有相同諧振頻率的發(fā)射電路和接收電路 之間實現(xiàn)高效的能量交換，調諧是磁禪合諧振式無線能量傳輸?shù)年P鍵。目前調諧技術主要 分為調節(jié)系統(tǒng)工作頻率和調節(jié)諧振網(wǎng)絡元件兩類。調節(jié)系統(tǒng)工作頻率的調諧技術必須W發(fā) 射電路和接收電路具有相同諧振頻率為前提才能實現(xiàn)電能的有效傳輸，而調節(jié)諧振網(wǎng)絡元 件技術又分為調節(jié)電容陣列及調節(jié)相控電感兩種方式，調節(jié)電容陣列方式存在控制量不連 續(xù)的問題，調節(jié)相控電感則會引入較大的諧波。另一方面，充電裝置通常用來對蓄電池組進 行恒流或恒壓充電，因此需要提供直流輸出電壓。由于接收電路接收到的是高頻交流電能， 所W需要進行整流再對蓄電池組供電。目前通常采用的整流方式是二極管橋式整流，但二 極管橋式整流得到的直流輸出電壓會隨著發(fā)射線圈與接收線圈間的互感及負載的變化而 變化，所W往往利用DC/DC變換器進行調整，運就增加了電路的處理環(huán)節(jié)?？蒞利用一個PWM 整流器來代替二極管橋式整流和DC/DC變換器，它可W實現(xiàn)接收電路的調諧控制及恒壓輸 出，但運種方式的調諧及輸出電壓范圍受電路參數(shù)的影響很大，在接收線圈自感較大時會 導致系統(tǒng)無法調節(jié)至諧振穩(wěn)態(tài)或目標輸出電壓。為了減小接收線圈的自感，可W重新設計 和繞制接收線圈，但運樣增加了工作量。此外，磁禪合諧振式無線充電裝置中無線傳輸工作 頻率一般在幾十kHz,如果采用普通的高載波比PWM整流器調制方式，那么功率開關的開關 頻率將會很高，所帶來的開關損耗亦會很高，而且在較大功率輸出時，一般功率開關器件很 難滿足要求。因此運里提出一種基于低頻PWM整流器及補償電容的無線充電裝置，該裝置發(fā) 射電路采用調頻諧振技術，接收電路采用低頻PWM整流器及補償電容相結合的諧振技術實 現(xiàn)對直流輸出電壓和電流的控制，PWM整流器采用單個脈沖的調制方式W降低功率開關的 開關頻率，增大功率開關的負載能力，補償電容用來部分補償接收線圈的自感，方便實現(xiàn)接 收電路的諧振穩(wěn)態(tài)和調整輸出電壓目標值。目前運樣的基于低頻PWM整流器及補償電容相 結合的方式來同時實現(xiàn)接收電路諧振和輸出電壓目標值的大功率磁禪合諧振式無線充電 裝置未見有專利及文獻報道。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術問題:提供一種基于低頻PWM整流器及補償電容的磁禪合 諧振式無線充電裝置，利用單個脈沖的調制方式降低PWM整流器功率開關的開關頻率并保 持裝置的恒壓直流輸出，利用補償電容來部分補償接收線圈的自感，同時實現(xiàn)接收電路的 諧振和輸出目標電壓。
[0005] 本發(fā)明的技術方案:一種基于低頻PWM整流器及補償電容的磁禪合諧振式無線充 電裝置，它包括整流電路，第一濾波穩(wěn)壓電容，第一逆變功率開關，第二逆變功率開關，第= 逆變功率開關，第四逆變功率開關，發(fā)射電路諧振電容，第一霍爾電流傳感器，發(fā)射電路諧 振線圈，接收電路諧振線圈，補償電容，第二霍爾電流傳感器，第一整流功率開關，第二整流 功率開關，第=整流功率開關，第四整流功率開關，第二濾波穩(wěn)壓電容，第一諧振濾波電容， 第一諧振濾波電感，第二諧振濾波電容，第二諧振濾波電感，負載電阻，高頻逆變驅動電路， 第一微處理器，第一模數(shù)轉換器，第一霍爾電壓傳感器，第一信號檢測調理電路，第二霍爾 電壓傳感器，第二信號檢測調理電路，PWM整流器驅動電路、第二微處理器，第二模數(shù)轉換器 和第=霍爾電壓傳感器;發(fā)射電路諧振線圈和接收電路諧振線圈相隔一定距離并同軸放 置;整流電路的兩個輸入端子為該無線充電裝置的交流電源輸入端口，整流電路的兩個輸 出端子和第一濾波穩(wěn)壓電容并聯(lián)，第一逆變功率開關、第二逆變功率開關、第=逆變功率開 關和第四逆變功率開關構成全橋逆變器，全橋逆變器的兩個直流輸入端子分別連接整流電 路的兩個輸出端子，全橋逆變器的一個輸出端子與發(fā)射電路諧振電容的一端相連接，發(fā)射 電路諧振電容的另一端與發(fā)射電路諧振線圈的一端相連接，發(fā)射電路諧振線圈的另一端與 第一霍爾電流傳感器的一個輸入端相連接，第一霍爾電流傳感器的另一個輸入端與全橋逆 變器的另一個輸出端子相連接，第一霍爾電壓傳感器的兩個輸入端子分別與全橋逆變器的 兩個輸出端子相連接，第一信號檢測調理電路將第一霍爾電壓傳感器和第一霍爾電流傳感 器的輸出信號進行調理后送入第一模數(shù)轉換器，第一微處理器接收來自第一模數(shù)轉換器的 數(shù)字信號并經(jīng)計算后產生頻率可調的全橋逆變器功率開關方波控制信號，該控制信號通過 高頻逆變驅動電路驅動全橋逆變器的功率開關;第一整流功率開關、第二整流功率開關、第 =整流功率開關、第四整流功率開關和第二濾波穩(wěn)壓電容構成全橋PWM整流器，全橋PWM整 流器交流側的兩個輸入端子分別連接補償電容的一端和第二霍爾電流傳感器的一個輸入 端，補償電容的另一端與接收電路諧振線圈的一端相連接，接收電路諧振線圈的另一端與 第二霍爾電流傳感器的另一輸入端相連接，第二霍爾電壓傳感器的兩個輸入端子分別與接 收電路諧振線圈的兩個端子相連接，全橋PWM整流器直流側的兩個輸出端子也就是該無線 充電裝置的直流輸出端口的兩個輸出端子，其中一個輸出端子分別連接第一諧振濾波電容 的一端和第二諧振濾波電容的一端，另一個輸出端子分別連接第一諧振濾波電感的一端和 第二諧振濾波電感的一端，第一諧振濾波電容的另一端與第一諧振濾波電感的另一端相連 接，第二諧振濾波電容的另一端與第二諧振濾波電感的另一端相連接，無線充電裝置的直 流輸出端口的兩個輸出端子分別連接充電負載的兩個端子，第=霍爾電壓傳感器的兩個輸 入端子分別與無線充電裝置的直流輸出端口的兩個輸出端子相連接，第二信號檢測調理電 路將第二霍爾電壓傳感器、第=霍爾電壓傳感器和第二霍爾電流傳感器的輸出信號進行調 理后送入第二模數(shù)轉換器，第二微處理器接收來自第二模數(shù)轉換器的數(shù)字信號并經(jīng)計算后 產生全橋PWM整流器功率開關控制信號，該控制信號通過PWM整流器驅動電路驅動全橋PWM 整流器的功率開關。
[0006] 下面對本技術方案的原理做進一步說明。
[0007] (1)發(fā)射電路調諧控制原理
[0008] 發(fā)射電路中全橋逆變器交流側的電路為發(fā)射電路諧振電容和發(fā)射電路諧振線圈 組成的串聯(lián)電路，通過比較第一霍爾電壓傳感器和第一霍爾電流傳感器的輸出信號的相位 差，并根據(jù)相位差的正負實時調整全橋逆變器功率開關方波控制信號的頻率，使發(fā)射電路 趨于諧振狀態(tài)。
[0009] (2)接收電路工作原理
[0010] 接收電路主要由接收電路諧振線圈、補償電容、全橋HVM整流器等組成，其交流側 有如下關系式：
[0012]式中
為接收電路諧振線圈的感應電壓，M為發(fā)射電路諧振線圈與接收電路 諧振線圈之間的互感，ip(t)為發(fā)射電路正弦波電流，is(t)為接收電路電流，L2為接收電路 諧振線圈自感，Co為補償電容，R2為接收電路線路電阻，UAB(t)為全橋PWM整流器交流側端口 電壓。全橋PWM整流器的脈寬調制函數(shù)S(t)可表述為：當?shù)谝徽鞴β书_關VSi和第四整流 功率開關VS4導通時，S(t) = 1;當?shù)诙鞴β书_關VS2和第S整流功率開關VS3導通時，S (t)=-l;當VSi和VS3導通或VS2和VS4導通時，S(t)=0。由于全橋P歷整流器采用載波比為1 的單脈沖調制技術，即在一個正半周和一個負半周里各僅有一個調制脈沖，因此脈寬調制 函數(shù)S(t)可表示為：
(2)
[0014]式中0為單脈沖的占空角，單脈沖的脈寬可表示為31-20，CO為發(fā)射電路全橋逆變器 的驅動方波角頻率。忽略全橋PWM整流器直流輸出側的交流成分，其交流側端口電壓UAB( t) =UdcS (t )，其中Udc為全橋PWM整流器直流輸出電壓，考慮到接收電路諧振線圈的感應電壓 為正弦波電壓，因此is(t)可表示為：
(3)
[0016]式中腳為接收電路電流基波(n=l)及n次諧波的初相角。式(1)兩邊同乘Wis(t)可 得：
[0018] 式中Ip為ip(t)的有效值，(61為接收電路諧振線圈感應電壓與is(t)基波的相角 差，S(2n-1)為UAB(t