專利名稱：定增益自激式非接觸諧振變換器及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種適用于非接觸電能傳輸系統中的定增益自激式非接觸諧振變換器及其控制方法，屬于電能變換領域。
背景技術：
非接觸供電是基于磁場耦合實現“無線供電”的新型電能傳輸模式，利用原副邊完全分離的非接觸變壓器，通過高頻磁場的耦合傳輸電能，使得能量傳遞過程中供電側和用電側無物理連接。與傳統的接觸式供電相比，非接觸供電使用方便、安全，無火花及觸電危險，無積塵和接觸損耗，無機械磨損和相應的維護問題，可適應多種惡劣天氣和環境，便于實現自動供電。非接觸供電技術因其特有的惡劣環境適應性、高安全性、少維護和方便性， 在手機、機器人、人體植入設備、電動汽車等移動設備的供電場合，在油田、礦井、水下供電等環境惡劣或者易燃易爆場合均已得到了應用。
非接觸電能傳輸中供電側和受電側一般都可相對運動，引起變換器中的核心部件——非接觸變壓器的氣隙等結構參數的變化以及其耦合系數、漏感、激磁電感等電參數的變換。與其它功率變換器相比，非接觸變換器不僅負載變化，主電路參數也不固定，因此非接觸諧振變換器的控制除了要滿足一般變換器的要求(如高效、高功率密度等)，還應保證變負載及非接觸變壓器變參數條件下的可靠控制。
目前非接觸變換器現有的控制方法為他控方式，主要有變頻、恒頻脈寬調制 (Pulse Width Modulation, PWM)及鎖相環控制(Phase Lock Loop, PLL)三種。G. B. Joung, B. H. Cho. An energy transmission system for an artificial heart using leakage inductance compensation of transcutaneous transformer[J]. IEEE Trans. Power Electronics, 1998，13(6) : 1013 - 1022就應用變頻控制完成一個60W的非接觸變換器。由于非接觸變壓器漏感大、激磁電感小，為了提高變換效率和輸出電壓增益，非接觸諧振變換器需要在原副邊均加入補償網絡。高階諧振網絡諧振頻率多解性所決定的頻率分叉現象和輸出特性的非單調，使得變頻控制方式下的變換器容易失穩；PWM控制可以避免失控問題，對于諧振變換器卻容易丟失軟開關條件，影響變換效率；Qianhong Chen, Siu Chung Wong, Chi K. Tse, Xinbo Ruan, "Analysis, Design and Control of a Transcutaneous Power Regulator for Artificial Hearts，，，IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, 2009, 3 (1) : 23-31 所采用的脈寬調制(PWM)加鎖相控制(PLL)的控制策略，在變負載及變耦合系數條件下能夠實現高效、可靠控制，但是PWM 環和PLL環路耦合，系統控制結構復雜，優化設計困難，且鎖相環還存在跟蹤調節速度較慢，入鎖困難、容易失鎖等問題，無法實時響應非接觸電能變換應用場合經常出現的非接觸變壓器參數的變化。
相對他控方式，自激控制控制實現簡單，還可直接利用變換器本身的電路特征轉換為開關管的驅動信號，可以快速響應于變換器的參數變化，但是卻存在輸出增益變化大、 輸出電壓不穩定的問題。
如何實現變負載及變耦合系數條件下，非接觸變換器能快速響應、可靠控制并能保證輸出電壓穩定，成為非接觸變換器領域設計和研究的難點。發明內容
本發明的目的是為了保證非接觸變換器在變負載及變耦合系數條件下的可靠控制和輸出電壓基本穩定。克服上述現有非接觸變換器他控方式不利于對變換器的參數變化作出快速響應的不足，結合自激控制簡單、可快速響應變換器參數變化的優點，提出一種適用于非接觸電能傳輸系統中的定增益自激式非接觸諧振變換器及其控制策略，使變換器自激工作于輸出電壓增益與負載無關的增益交點處，保證變負載時輸出穩定和對變壓器參數變化的實時響應。
本發明提供一種適用于非接觸電能傳輸系統中的定增益自激式非接觸諧振變換器及其控制方法。
本發明的目的是通過以下方案實施的一種定增益自激式非接觸諧振變換器，它包括自激式非接觸諧振變換器主電路(1)、副邊電流檢測電路⑵及驅動信號產生電路⑶；所述非接觸諧振變換器主電路⑴由輸入直流源、自激啟動電路、逆變橋、原邊諧振網絡、非接觸變壓器、副邊諧振網絡、整流及濾波電路順次串聯而成；所述副邊電流檢測電路⑵采用多種電流檢測方式，其特征在于所述被測電流根據諧振變換器的補償方式設定對于串/串、并/串補償電路檢測非接觸變壓器的副邊電流，對于串/并補償電路檢測副邊整流橋的輸入電流；所述驅動電路⑶由非接觸反饋電路G)、相位補償電路(5)、過零比較器(6)及隔離放大電路(7)組成。
其中，非接觸諧振變換器(1)中的逆變橋采用半橋變換器或全橋變換器電路拓撲。
其中，非接觸諧振變換器(1)中的自激啟動電路采用適于三極管器件的基極電阻啟動電路或者阻、容、二極管啟動電路。
所述副邊電流檢測電路( 采用電流互感器、分流器或霍爾傳感器多種電流檢測方式。
其中，驅動信號產生電路(3)中的非接觸反饋電路由磁隔離反饋、光耦隔離反饋、紅外隔離反饋、藍牙無線信號傳輸多種方式實現；所述驅動信號產生電路(3)中的相位補償電路( 和過零比較器(6)由硬件或者軟件方式實現。
所述驅動信號產生電路(3)由硬件或者軟件方式實現，硬件實現方法具體為采用運算放大器實現相位補償，通過調整其外圍參數補償驅動信號延遲及主電路寄生電阻導致的相位差，保證被測電流信號與逆變橋橋臂中點的方波信號同相；用硬件比較器實現過零比較；上述相位補償電路( 和過零比較器(6)，其位置可以互換。
其中隔離放大電路(7)中的放大電路采用圖騰柱放大電路或具有泵升電路功能的驅動芯片。
一種定增益自激式非接觸諧振變換器的控制方法，其特征在于 包括以下步驟自激式非接觸諧振變換器主電路(1)中的自激啟動電路工作，驅動開關管，電路啟動， 副邊產生電流；副邊電流檢測電路⑵檢測被測電流；非接觸反饋電路⑷將副邊電流檢測電路⑵得到的電流檢測信號，從副邊反饋至原邊；由相位補償電路( 補償信號傳輸中引起的相位差，原邊準確檢測副邊被測電流的相位信息；補償后的被測電流信號經過零比較器(6)后轉為驅動信號，再經隔離放大電路(7)驅動隔離和功率放大，驅動自激式非接觸諧振變換器主電路(1)的開關管。
所述被測電流根據諧振變換器的補償方式設定對于串/串、并/串補償電路檢測非接觸變壓器的副邊電流，對于串/并補償電路檢測副邊整流橋的輸入電流。
本發明與現有技術相比的主要技術特點是，通過檢測非接觸變壓器的副邊電流或副邊整流橋的輸入電流來控制原邊開關管的通斷，使變換器自激工作于輸出電壓增益與負載無關的增益交點處；利用自激控制策略來實時響應變壓器參數的變換，通過鎖定在增益交點處來保證負載變化時輸出穩定。適用于大多數無線供電系統。


附圖1是本發明的定增益自激式非接觸諧振變換器的結構框圖；附圖2是本發明的定增益自激式非接觸諧振變換器的串/串補償自激控制原理圖，其中附圖2-1、附圖2-2分別是串/串補償基波等效模型及自激控制等效電路。
附圖3是本發明的定增益自激式非接觸諧振變換器的串/并補償自激控制原理圖，其中附圖3-1、附圖3-2及附圖3-3分別是串/并補償基波等效模型、基波等效電路及自激控制等效電路。
附圖4是本發明的定增益自激式非接觸諧振變換器的并/串補償自激控制原理圖，其中附圖4-1、附圖4-2及附圖4-3分別是并/串補償基波等效模型、基波等效電路及自激控制等效電路。
附圖5 13是本發明的定增益自激式非接觸諧振變換器的二種實施例電路結構示意圖、實驗波形及負載調整率曲線。
上述附圖中的主要符號名稱1一自激式非接觸諧振變換器主電路；2—副邊電流檢測電路；3—驅動信號產生電路；4一非接觸反饋電路；5—相位補償電路；6—過零比較器；7—隔離放大電路；&一逆變橋輸出方波；i一副邊檢測電流Vi—逆變橋輸出方波的基波分量；副邊整流橋臂中點電壓的基波分量；&一副邊整流橋、濾波環節及負載的等效電阻； —原邊諧振電容副邊諧振電容；一變壓器副邊對原邊的匝比；Zzi—非接觸變壓器的原邊漏感義Z2_非接觸變壓器的副邊漏感—非接觸變壓器的激磁電感 ’VJn— 輸入直流電壓武自激啟動電阻；&一自激啟動電容諷一二極管力^^一雙向觸發二級管啾 仏、乂 開關管而 G—開關管的驅動信號代一變壓器原邊匝數；Λ；—變壓器副邊匝數;i2—非接觸變壓器副邊電流 外4_輸出整流二極管；—輸出濾波電容； 、一副邊整流橋輸入電流輸出濾波電感武一負載義一輸出電壓而 C2—半橋變換器分壓電容。
具體實施方式
實施例一附圖1所示為定增益自激式非接觸諧振變換器的結構框圖，它包括非接觸諧振變換器、電流信號檢測及驅動電路。
首先，結合電路說明本發明中控制策略的理論基礎非接觸諧振變換器固定增益處副邊被測電流與主電路中逆變橋橋臂中點的方波信號同相的特性當整流橋連續導通，不管采用哪一種補償方式，其橋臂中點的電壓和電流始終同相，則副邊整流橋、濾波環節及負載可等效為一個線性電阻&，再將非接觸變壓器的漏感模型代入，即可得到三種補償拓撲的基波等效模型，其中，z71、z72、z#分別是非接觸變壓器等效模型的原邊漏感、副邊漏感和激磁電感。
附圖2-1為串/串補償基波等效模型，當非接觸變壓器的原、副邊漏感被完全補償，則可簡化為附圖2-2，此時變換器的輸出電壓增益等于匝比/ ，與負載大小無關，若能使變換器自激工作于該狀態，就能夠保證負載變化時輸出電壓基本恒定。對附圖2-2所示自激控制等效電路中的各分量進行分析，可以發現當電路完全補償，則逆變橋輸出電壓基波 νΑβ與副邊整流橋臂中點電壓基波、變壓器副邊電流i2均同相。對于自激變頻控制，由于逆變橋輸出的方波電壓^與其基波電壓Vm同相，故^與i2同相。這說明，當電路滿足阻抗匹配條件時，通過檢測副邊電流i2來控制逆變橋的開關，保證^與/2同相，就可以使變換器工作在完全補償對應的頻率點，則輸出電壓增益與負載無關。保證&與、同相的自激控制方法為對、進行過零檢測，當i2>0時，控制原邊開關管使^>0 ；當i2<0時，控制原邊開關管使&<0。
電路具體工作過程如下自激式非接觸諧振變換器主電路1中的自激啟動電路工作，驅動開關管，電路啟動，副邊產生電流；副邊電流檢測電路2檢測被測電流；非接觸反饋電路4將副邊電流檢測電路2得到的電流檢測信號，從副邊反饋至原邊； 由相位補償電路5補償信號傳輸中引起的相位差，原邊準確檢測副邊被測電流的相位 fn息；補償后的被測電流信號經過零比較器(6)后轉為驅動信號，再經隔離放大電路7驅動隔離和功率放大，驅動自激式非接觸諧振變換器主電路1的開關管。
附圖3-1為串/并補償基波等效模型。其中，非接觸變壓器等效模型可看作一個四變量端口網絡，根據線性網絡的互易性，它可以等效為附圖3-2所示的三變量端口網絡。 且滿足
權利要求
1.一種定增益自激式非接觸諧振變換器，它包括自激式非接觸諧振變換器主電路 (1)、副邊電流檢測電路⑵及驅動信號產生電路⑶；所述非接觸諧振變換器主電路⑴ 由輸入直流源、自激啟動電路、逆變橋、原邊諧振網絡、非接觸變壓器、副邊諧振網絡、整流及濾波電路順次串聯而成；所述副邊電流檢測電路( 采用多種電流檢測方式，其特征在于所述被測電流根據諧振變換器的補償方式設定對于串/串、并/串補償電路檢測非接觸變壓器的副邊電流，對于串/并補償電路檢測副邊整流橋的輸入電流；所述驅動電路(3)由非接觸反饋電路G)、相位補償電路(5)、過零比較器(6)及隔離放大電路(7)組成。
2.如權利要求1所述的定增益自激式非接觸諧振變換器，其特征在于所述非接觸諧振變換器(1)中的逆變橋采用半橋變換器或全橋變換器電路拓撲。
3.如權利要求1所述的定增益自激式非接觸諧振變換器，其特征在于所述非接觸諧振變換器(1)中的自激啟動電路采用適于三極管器件的基極電阻啟動電路或者阻、容、二極管啟動電路。
4.如權利要求1、2或3所述的定增益自激式非接觸諧振變換器，其特征在于所述副邊電流檢測電路( 采用電流互感器、分流器或霍爾傳感器多種電流檢測方式。
5.如權利要求4所述的定增益自激式非接觸諧振變換器，其特征在于所述驅動信號產生電路⑶中的非接觸反饋電路⑷由磁隔離反饋、光耦隔離反饋、紅外隔離反饋、藍牙無線信號傳輸多種方式實現；所述驅動信號產生電路(3)中的相位補償電路( 和過零比較器(6)由硬件或者軟件方式實現。
6.如權利要求5所述的定增益自激式非接觸諧振變換器，其特征在于所述驅動信號產生電路(3)由硬件或者軟件方式實現，硬件實現方法具體為采用運算放大器實現相位補償，通過調整其外圍參數補償驅動信號延遲及主電路寄生電阻導致的相位差，保證被測電流信號與逆變橋橋臂中點的方波信號同相；用硬件比較器實現過零比較；上述相位補償電路(5)和過零比較器(6)，其位置可以互換。
7.如權利要求1所述的定增益自激式非接觸諧振變換器，其特征在于所述隔離放大電路(7)中的放大電路采用圖騰柱放大電路或具有泵升電路功能的驅動芯片。
8.一種定增益自激式非接觸諧振變換器的控制方法，其特征在于包括以下步驟自激式非接觸諧振變換器主電路(1)中的自激啟動電路工作，驅動開關管，電路啟動， 副邊產生電流；副邊電流檢測電路⑵檢測被測電流；非接觸反饋電路(4)將副邊電流檢測電路(2)得到的電流檢測信號，從副邊反饋至原邊；由相位補償電路(5)補償信號傳輸中引起的相位差，原邊準確檢測副邊被測電流的相位信息；補償后的被測電流信號經過零比較器(6)后轉為驅動信號，再經隔離放大電路(7)驅動隔離和功率放大，驅動自激式非接觸諧振變換器主電路(1)的開關管。
9.根據權利要求8定增益自激式非接觸諧振變換器的控制方法，其特征在于所述被測電流根據諧振變換器的補償方式設定對于串/串、并/串補償電路檢測非接觸變壓器的副邊電流，對于串/并補償電路檢測副邊整流橋的輸入電流。
全文摘要
本發明公開一種定增益自激式非接觸諧振變換器及其控制方法，屬電能變換領域。它包括自激式非接觸諧振變換器主電路、副邊電流檢測電路及驅動信號產生電路。根據諧振變換器的補償方式設定被測電流對于串/串、并/串補償電路檢測非接觸變壓器的副邊電流，對于串/并補償電路檢測副邊整流橋的輸入電流；由副邊電流檢測電路檢測被測電流，通過驅動信號產生電路將檢測信號隔離反饋至原邊并進行相位補償來準確檢測副邊被測電流的相位信息。根據所發現的非接觸諧振變換器固定增益處副邊被測電流與主電路(1)中逆變橋橋臂中點方波信號同相的特性，將測得的副邊電流信號轉換為主電路的驅動信號，來實現自激控制。一方面可實時響應非接觸變壓器的參數變化，同時還能保證負載變化時非接觸諧振變換器的輸出穩定。
文檔編號H02J17/00GK102522900SQ20111036802
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月18日 優先權日2011年11月18日
發明者任小永, 曹玲玲, 阮新波, 陳乾宏 申請人:南京航空航天大學