双边LC型电场耦合式WPT系统恒流输出的参数设置方法技术方案

本发明专利技术公开了双边LC型电场耦合式WPT系统恒流输出的参数设置方法，属于无线电能传输的技术领域。系统包括：高频全桥逆变电路、包含原边补偿电感和原边补偿电容的原边LC补偿网络、包含两块发射极板和两块接收极板的耦合电容板、包含副边补偿电感和副边补偿电容的副边LC补偿网络、全桥整流滤波电路，参数设置方法在保证负载所需恒定电流的前提下，以均衡原副边补偿网络电压应力为目标调整原副边LC补偿网络参数使系统输出负载所需的恒流并实现电路近似零无功环流和开关器件的软开关，使得耦合电容板自身无功功率最低，提高无线电能传输系统的效率及可靠性，减少成本，提高了传输功率等级。

Parameter setting method for constant current output of a bilateral LC type electric field coupled WPT system

The invention discloses a parameter setting method for the constant current output of a bilateral LC electric field coupled WPT system, which belongs to the technical field of radio energy transmission. The system includes a high frequency full bridge inverter circuit, including the primary and primary inductance compensation capacitors in primary LC compensation network, contains two pieces and two pieces of receiving emitter plate plate plate, including side coupling capacitor LC compensation network side and compensation inductance and secondary capacitor compensation full bridge rectifier filter circuit. Parameter setting method ensures the required load with constant current, in order to balance both sides of the compensation network voltage stress for adjustment of LC compensation network parameters, the system output is required to load the constant current circuit and approximate zero reactive circulation and switch device of soft switch, the coupling capacitor in its reactive power the minimum power, improve the efficiency and reliability of wireless power transmission system, reduce the cost, improve the transmission power level.

【技术实现步骤摘要】
双边LC型电场耦合式WPT系统恒流输出的参数设置方法
本专利技术公开了双边LC型电场耦合式WPT系统恒流输出的参数设置方法，属于无线电能传输的
，适用于如LED供电和电池充电等需要恒定电流输出的应用场合。
技术介绍
目前，国内对于无线电能传输(WPT，WirelessPowerTransmission)技术的研究热点主要集中在磁场耦合方式。与磁场耦合相对偶的工作方式电场耦合以高频电场作为能量载体，高频交流电作用在发射极板上时，发射极板与接收极板间形成交互电场进而产生位移电流，实现了极板间的能量传输，具有可穿越金属隔离层、电磁辐射低、体积小等优点。相较于磁场耦合式无线电能传输系统，电场耦合式无线电能传输系统的耦合系数较低，主要应用在短距离、低功率等级的场合。为提高系统的传输距离和功率等级，需要对耦合机构进行补偿。目前主要的补偿方式有直接串联电感的补偿方式、双边LC型补偿网络、LCL型补偿网络及LCLC型补偿网络等。直接串联电感的补偿方式，具有电路结构简单的优点，但存在系统所需补偿电感的电感值较大且难以实现远距离、大功率传输的缺陷。为减小补偿电感的电感值、提高传输距离及功率等级，学者提出了双边LC型补偿网络，通过泵升耦合机构两端电压以实现系统传输功率等级的提升，但与此同时，耦合机构的电压应力增加，原副边补偿网络中某一元器件所承受的电压应力过大，加大了电路设计及绝缘设计的难度。为进一步优化电场耦合式无线电能传输系统的性能，学者提出了LCL型补偿网络及LCLC型补偿网络，但此类补偿网络结构复杂，分析困难。本专利技术旨在优化双边LC型补偿网络的参数设计方法，以实现在保证输出所需恒流和输入零无功的前提下均衡原副边补偿网络的电压应力并减小耦合机构无功功率的专利技术目的。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的是针对上述
技术介绍
的不足，提供了双边LC型电场耦合式WPT系统恒流输出的参数设置方法，在保证输出所需恒流和输入零无功的前提下既均衡了原、副边补偿网络的电压应力又减小了耦合机构的无功功率，解决了现有双边LC型补偿网络的耦合机构电压应力大、原副边补偿网络中某一元器件所承受的电压应力过大的技术问题。本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案：双边LC型电场耦合式WPT系统恒流输出的参数设置方法，双边LC型电场耦合式WPT系统包括：高频全桥逆变电路、包含原边补偿电感和原边补偿电容的原边LC补偿网络、包含两块发射极板和两块接收极板的耦合电容板、包含副边补偿电感和副边补偿电容的副边LC补偿网络、全桥整流滤波电路，原边补偿电感的一端与高频全桥逆变电路的一桥臂中点连接，原边补偿电感的另一端、原边补偿电容的一极均与耦合电容板的一块发射极板相连接，原边补偿电容的另一极、耦合电容板的另一块发射极板均与高频全桥逆变电路的另一桥臂中点相连接，副边补偿电容的一极、副边补偿电感的一端均与耦合电容板的一块接收极板相连接，副边补偿电感的另一端与全桥整流滤波电路的一桥臂中点连接，副边补偿电容的另一极、耦合电容板的另一块接收极板均与全桥整流滤波电路的另一桥臂中点相连接，全桥整流滤波电路的输出端接有负载，参数设置方法具体为：根据系统工作角频率ω、输入电压VIN、负载所需的恒定电流IO并结合表达式：确定系统耦合系数k，在保证负载所需的恒定电流的前提下，以系统输出满载功率时仍能均衡原副边补偿网络的电压应力为目标，即，令U1＝U2，由表达式：确定副边补偿电容Cex2、副边补偿电感L2、原边补偿电容Cex1、原边补偿电感L1，其中，CM为耦合电容板原副边的互容，U1、U2分别为原边补偿电容两端电压的幅值、副边补偿电容两端电压的幅值，C1、C2分别为系统原边等效电容、系统副边等效电容，CP、CS分别为耦合电容板的原边等效自容、副边等效自容，PMAX为系统输出的满载功率。通过上述参数设计即可实现原副边补偿网络电压应力的均衡，避免原副边LC补偿网络中某一器件击穿，提高系统可靠性。作为双边LC型电场耦合式WPT系统恒流输出的参数设置方法的进一步优化方案，耦合电容板上的无功功率QCM为：表征了原副边补偿电容两端电压的相位差，QCM在设定原副边补偿电容两端电压的幅值相等时取得最小值，即，经过上述参数设定，耦合电容板自身无功功率最低，实现了耦合电容板所受应力最小的技术效果。作为双边LC型电场耦合式WPT系统恒流输出的参数设置方法的更进一步优化方案，全桥整流滤波电路的输出端并接有输出滤波电容时，输入阻抗ZIN为：R为负载的阻值，实现了电路的近似零无功环流。本专利技术采用上述技术方案，具有以下有益效果：(1)本专利技术提出了双边LC型电场耦合式WPT系统恒流输出的参数设置方法，在保证负载所需恒定电流的前提下，以均衡原副边补偿网络电压应力为目标调整原副边LC补偿网络参数使系统输出负载所需的恒流并实现电路近似零无功环流和开关器件的软开关，解决了因原副边LC补偿网络中某一元器件应力过大而造成的电路设计及绝缘设计困难，提高无线电能传输系统的效率及可靠性，减少成本；(2)以均衡原副边补偿网络电压应力为目标调整原、副边LC补偿网络参数，既保证了系统输出负载所需恒流又使得耦合电容板自身无功功率最低，即耦合电容板电压应力最小，提高传输功率等级。附图说明图1是双边LC型电场耦合式无线电能传输系统拓扑结构；图2(a)、图2(b)是图1所示拓扑整流前后的电流和电压波形图；图3输出电流为1.44A，负载电阻为16Ω时的vgate、vAB、iIN和IO波形；图4输出电流为1.44A，负载电阻为32Ω时的vgate、vAB、iIN和IO波形；图5是负载电阻为32Ω时的vgate、vCM、u1和u2波形；图中标号说明：1为高频全桥逆变电路，2为原边LC补偿网络，3为耦合电容板，4为副边LC补偿网络，5为全桥整流滤波电路，Q1、Q2、Q3、Q4为第一、第二、第三、第四功率管，L1为原边补偿电感，L2为副边补偿电感，Cex1为原边补偿电容，Cex2为副边补偿电容，D1、D2、D3、D4为第一、第二、第三、第四二极管，Co为输出滤波电容，R为负载。具体实施方式下面结合附图对专利技术的技术方案进行详细说明。双边LC型电场耦合式WPT系统包括：高频全桥逆变电路1、包含原边补偿电感L1和原边补偿电容Cex1的原边LC补偿网络2、包含两块发射极板和两块接收极板的耦合电容板3、包含副边补偿电感L2和副边补偿电容Cex2的副边LC补偿网络4、全桥整流滤波电路5。原边补偿电感L1的一端与高频全桥逆变电路中第一功率管Q1、第三功率管Q3所构成的桥臂的中点A连接，原边补偿电感L1的另一端、原边补偿电容Cex1的一极均与耦合电容板3的一块发射极板相连接，原边补偿电容Cex1的另一极、耦合电容板3的另一块发射极板均与高频全桥逆变电路1中第二功率管Q2、第四功率管Q4所构成的桥臂的中点B相连接，副边补偿电容Cex2的一极、副边补偿电感L2的一端均与耦合电容板3的一块接收极板相连接，副边补偿电感L2的另一端与全桥整流滤波电路5中第一二极管D1、第三二极管D3构成的桥臂的中点连接，副边补偿电容Cex2的另一极、耦合电容板3的另一块接收极板均与全桥整流滤波电路5中第二二极管D2、第四二极管D4构成的桥臂的中点相连接，全桥整流滤波电路5的输出端接有负载R及输出本文档来自技高网...

【技术保护点】
双边LC型电场耦合式WPT系统恒流输出的参数设置方法，所述双边LC型电场耦合式WPT系统包括：高频全桥逆变电路(1)、包含原边补偿电感和原边补偿电容的原边LC补偿网络(2)、包含两块发射极板和两块接收极板的耦合电容板(3)、包含副边补偿电感和副边补偿电容的副边LC补偿网络(4)、全桥整流滤波电路(5)，原边补偿电感的一端与高频全桥逆变电路的一桥臂中点连接，原边补偿电感的另一端、原边补偿电容的一极均与耦合电容板(3)的一块发射极板相连接，原边补偿电容的另一极、耦合电容板(3)的另一块发射极板均与高频全桥逆变电路(1)的另一桥臂中点相连接，副边补偿电容的一极、副边补偿电感的一端均与耦合电容板(3)的一块接收极板相连接，副边补偿电感的另一端与全桥整流滤波电路(5)的一桥臂中点连接，副边补偿电容的另一极、耦合电容板(3)的另一块接收极板均与全桥整流滤波电路(5)的另一桥臂中点相连接，全桥整流滤波电路(5)的输出端接有负载，其特征在于，所述方法具体为：在保证负载所需的恒定电流的前提下，以系统输出满载功率时仍能均衡原副边补偿网络的电压应力为目标确定副边补偿电容的电容值Cex2、副边补偿电感的电感值L2、原边补偿电容的电容值Cex1、原边补偿电感的电感值L1，...

【技术特征摘要】
1.双边LC型电场耦合式WPT系统恒流输出的参数设置方法，所述双边LC型电场耦合式WPT系统包括：高频全桥逆变电路(1)、包含原边补偿电感和原边补偿电容的原边LC补偿网络(2)、包含两块发射极板和两块接收极板的耦合电容板(3)、包含副边补偿电感和副边补偿电容的副边LC补偿网络(4)、全桥整流滤波电路(5)，原边补偿电感的一端与高频全桥逆变电路的一桥臂中点连接，原边补偿电感的另一端、原边补偿电容的一极均与耦合电容板(3)的一块发射极板相连接，原边补偿电容的另一极、耦合电容板(3)的另一块发射极板均与高频全桥逆变电路(1)的另一桥臂中点相连接，副边补偿电容的一极、副边补偿电感的一端均与耦合电容板(3)的一块接收极板相连接，副边补偿电感的另一端与全桥整流滤波电路(5)的一桥臂中点连接，副边补偿电容的另一极、耦合电容板(3)的另一块接收极板均与全桥整流滤波电路(5)的另一桥臂中点相连接，全桥整流滤波电路(5)的输出端...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲小慧，连静，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32