一种具有恒流输出特性的无线电能传输装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种具有恒流输出特性的无线电能传输装置，采用一种自激逆变电路设计逆变电源，以自激式逆变电路设计方案，可实现开关管的自驱动，省去了额外的PWM发生器和驱动电路，结构简单，同时还能自动实现谐振频率跟踪功能，而且开关管工作在零电压开通和关断状态下，损耗较小，极大地降低了逆变电路的复杂度。采用具有恒流输出特性的电磁谐振系统，以电磁谐振系统发射端采用单电容并联补偿拓扑，接收端采用双电容串并联补偿拓扑，仅使用3个补偿电容元件就可以在不同负载条件下可基本实现无线电能传输装置的恒流输出，省去了后级DC/DC变换器的加入。

【技术实现步骤摘要】
一种具有恒流输出特性的无线电能传输装置
本专利技术属于无线电能传输
，涉及一种具有恒流输出特性的无线电能传输装置，具体涉及一种具有恒流输出特性的磁耦合谐振式无线电能传输装置。
技术介绍
自从第二次工业革命以来，人类社会进入了电气化时代，大至遍布全球各地的电网、高压线，小到各种家用电气设备，电能的传输主要通过金属导线的点对点直接接触传输。这种“有线”的传输方式带来了不少问题。由于存在摩擦、老化等问题，电能传输过程中很容易产生火花，进而影响到用电设备的寿命和用电安全[1]。另外，传统的有线电力传输方式不能满足一些特殊应用场合的需要，如矿井和水中等。随着人类社会经济的发展，各种电子设备得到了广泛的使用，但是太多的电线和插座给人们的生活带来不便。此外，植入体内的医疗设备的长期供电也通过更换电池存在很大的不便；电动汽车的发展受到高成本、高维护性和低可靠性的有线充电桩而受到制约。这些问题都在呼唤一种脱离金属导线的电能传输方式，即无线电能传输。目前根据传输机理不同，无线电能传输技术主要可分为微波式，电场耦合式，电磁感应式和磁耦合谐振式。微波式的原理是利用微波束代替导线进行能量传输，但是微波在空气中传输时会产生损耗，不能穿越障碍物，且对人体有害，不适宜日常生活中使用。电场耦式无线电能传输是利用平板电容器的电场耦合作用实现电能的无线传输。但平板电容器的电容只有pF级别，极板两端会产生高电压，极板间的高强度电场对人体有害，在安全问题未能解决的情况下，不适宜使用。电磁感应式无线电能传输是利用变压器的电磁感应原理进行能量传输，只有在较短的距离下(小于1cm)，才能实现较大功率和较高效率的电能传输，当距离增大后，传输效率急速下降，并不能给人们生活带来改善。而近两年兴起的磁耦合谐振式无线电能传输技术是以电磁场为媒介，利用具有相同谐振频率、高品质因数的电磁谐振系统，在磁场弱耦合的条件下基于谐振原理实现电能的无线传输。磁耦合谐振式无线电能传输技术又称为磁场共振技术，集电磁场、微波工程、电力电子、电路理论、材料科学等于一体，是当今国内外学术界和工业界探索研究的一个新领域。磁耦合谐振式无线传输系统能量损耗较小，传输距离大，一般能够达到50cm以上，不要求发射线圈与接收线圈有很强的对应位置关系，允许合理范围的位置偏移，能量传输只在共振系统中进行，不会影响共振系统以外的其他物体，不用担心异物进入气隙引起损害而保持传输效率。磁耦合谐振式无线电能传输系统的高频逆变电源和谐振系统的设计是关键部分。目前常用的高频电源主要依据桥式逆变电源设计，传统的桥式逆变电源结构复杂，需要外加PWM信号发生器来实现开关管的驱动，通常还需要频率跟踪电路实现无线电能传输系统的频率跟踪功能，逆变电源驱动复杂，损耗较大，通常应用于上千瓦级别的大功率领域，在中小功率领域的应用效果不佳；对于使用电能的电子产品而言，有些场合下要求无线电能传输装置的输出的电流是不随负载的变化而变化的，即要求无线电能传输装置在不同的输出功率条件下(负载发生变化)，输出电流仍能保持恒定，或者仅有微小的变化，如电动汽车充电过程中就有恒流充电阶段。而目前大多数的无线电能传输装置都无法自动实现不同负载条件下的恒压输出，而是通过在后级加入DC/DC变换器的形式实现恒流输出，这样一来系统的复杂度和成本提高，效率降低，而且DC/DC变换器的宽输入电压范围也对其设计构成了很大的困难。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种具有恒流输出特性的无线电能传输装置。技术方案一种具有恒流输出特性的无线电能传输装置，其特征在于包括自激逆变电路、发射器、接收器和整流器；所述自激逆变电路包含两个MOS管Q1和Q2、两个电感扼流圈Lf1和Lf2、两个二极管D1和D2、两个耐压20V的稳压二极管Dz-20V、两个耐压3.9V的稳压二极管Dz-3.9V、两个电容Cp1和Cp2和4个电阻Ra、Rb、Rc、Rd；电阻Ra与Rc串联，电阻Rc与Rd串联，然后并联于功率电源Udc两端；电感扼流圈Lf1与MOS管Q1串联，电感扼流圈Lf2与MOS管Q2串联，然后并联于驱动电源Udrive两端；两个MOS管的G极与S极之间为并联稳压二极管Dz-20V与稳压二极管Dz-3.9V的串联电路，两个二极管正极相对串联；MOS管Q1通过电容Cp1连接于电阻Ra与Rc之间，MOS管Q2通过电容Cp2连接于电阻Rc与Rd之间；二极管D1负端与MOS管Q1的D极相连，正端连接于电阻Rc与Rd之间，二极管D2负端与MOS管Q2的D极相连，正端连接于电阻Ra与Rb之间；所述发射器为L1C1的并联谐振电路，输入端分别MOS管Q1的D极和电阻Rc与Rd之间；所述接收器为线圈L2与电容C2串联后与电容C3并联电路，电容C3两端连接全桥整流器DR1、DR2、DR3和DR4，整流输出连接滤波电感Lf与滤波电容Cf的滤波电路，滤波输出连接负载；所述Ra＝Rc小于Rb＝Rd；所述D1＝D2；所述电容Cp1＝Cp2；所述MOS管Q1＝Q2；所述电感扼流圈Lf1＝Lf2；所述驱动电源Udrive小于功率电源Udc。所述Cp1和Cp2的容值远大于Q1和Q2的门极寄生电容。所述发射器和接收器之间的关系为：fs自激逆变器的频率。所述MOS管Q1和Q2型号为C2M0040120D。所述二极管D1和D2型号为FR607。所述耐压20V的稳压二极管Dz-20V型号为1n5335A。所述全桥整流器四个相同的整流二极管的型号为MBR20100。有益效果本专利技术提出的一种具有恒流输出特性的无线电能传输装置，采用一种自激逆变电路设计逆变电源，以自激式逆变电路设计方案，可实现开关管的自驱动，省去了额外的PWM发生器和驱动电路，结构简单，同时还能自动实现谐振频率跟踪功能，而且开关管工作在零电压开通和关断状态下，损耗较小，极大地降低了逆变电路的复杂度。采用具有恒流输出特性的电磁谐振系统，以电磁谐振系统发射端采用单电容并联补偿拓扑，接收端采用双电容串并联补偿拓扑，仅使用3个补偿电容元件就可以在不同负载条件下可基本实现无线电能传输装置的恒流输出，省去了后级DC/DC变换器的加入。本专利技术主要有两个有益效果：1，本专利技术的逆变电源实现了自驱动，软开关，结构简单。2，本专利技术的输出电流与负载大小无关，具有恒流输出特性。如附图3所示，在没有外加的驱动电路情况下，无线电能传输系统实现了开关管的自驱动，而且当驱动电压Vds上升和下降时，开关管漏源极电压为0V，即实现了开关管的零电压开通和关断，关断状态电压Vds的值小于0，即实现了开关管的负压关断。如附图4所示，当负载电阻由5Ω变化到15Ω时，负载变化率为200％，输出电流仅从2.698A变化到2.562A，电流变化率为5％，可以认为当负载发生变化时，系统的输出电流基本保持恒定，即系统具有恒流输出特性。附图说明图1：本专利技术的电路原理图图2：系统等效电路图图3：Q1和Q2的仿真工作波形图图4：输出电流随负载变化的仿真波形图具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：具有恒流输出特性的无线电能传输装置电路图如附图1所示，具体包括：(1)两路输入电源接口，其中一路为驱动电源Udrive(22V)，另一路为功率电源Udc(36V)；(2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有恒流输出特性的无线电能传输装置，其特征在于包括自激逆变电路、发射器、接收器和整流器；所述自激逆变电路包含两个MOS管Q1和Q2、两个电感扼流圈Lf1和Lf2、两个二极管D1和D2、两个耐压20V的稳压二极管Dz‑20V、两个耐压3.9V的稳压二极管Dz‑3.9V、两个电容Cp1和Cp2和4个电阻Ra、Rb、Rc、Rd；电阻Ra与Rc串联，电阻Rc与Rd串联，然后并联于功率电源Udc两端；电感扼流圈Lf1与MOS管Q1串联，电感扼流圈Lf2与MOS管Q2串联，然后并联于驱动电源Udrive两端；两个MOS管的G极与S极之间为并联稳压二极管Dz‑20V与稳压二极管Dz‑3.9V的串联电路，两个二极管正极相对串联；MOS管Q1通过电容Cp1连接于电阻Ra与Rc之间，MOS管Q2通过电容Cp2连接于电阻Rc与Rd之间；二极管D1负端与MOS管Q1的D极相连，正端连接于电阻Rc与Rd之间，二极管D2负端与MOS管Q2的D极相连，正端连接于电阻Ra与Rb之间；所述发射器为L1C1的并联谐振电路，输入端分别MOS管Q1的D极和电阻Rc与Rd之间；所述接收器为线圈L2与电容C2串联后与电容C3并联电路，电容C3两端连接全桥整流器DR1、DR2、DR3和DR4，整流输出连接滤波电感Lf与滤波电容Cf的滤波电路，滤波输出连接负载；所述Ra＝Rc小于Rb＝Rd；所述D1＝D2；所述电容Cp1＝Cp2；所述MOS管Q1＝Q2；所述电感扼流圈Lf1＝Lf2；所述驱动电源Udrive小于功率电源Udc。...

【技术特征摘要】
1.一种具有恒流输出特性的无线电能传输装置，其特征在于包括自激逆变电路、发射器、接收器和整流器；所述自激逆变电路包含两个MOS管Q1和Q2、两个电感扼流圈Lf1和Lf2、两个二极管D1和D2、两个耐压20V的稳压二极管Dz-20V、两个耐压3.9V的稳压二极管Dz-3.9V、两个电容Cp1和Cp2和4个电阻Ra、Rb、Rc、Rd；电阻Ra与Rc串联，电阻Rc与Rd串联，然后并联于功率电源Udc两端；电感扼流圈Lf1与MOS管Q1串联，电感扼流圈Lf2与MOS管Q2串联，然后并联于驱动电源Udrive两端；两个MOS管的G极与S极之间为并联稳压二极管Dz-20V与稳压二极管Dz-3.9V的串联电路，两个二极管正极相对串联；MOS管Q1通过电容Cp1连接于电阻Ra与Rc之间，MOS管Q2通过电容Cp2连接于电阻Rc与Rd之间；二极管D1负端与MOS管Q1的D极相连，正端连接于电阻Rc与Rd之间，二极管D2负端与MOS管Q2的D极相连，正端连接于电阻Ra与Rb之间；所述发射器为L1C1的并联谐振电路，输入端分别MOS管Q1的D极和电阻Rc与Rd之间；所述接收器为线圈L2与电容C2串联后与电容C3并联电路，电容C3两...

【专利技术属性】
技术研发人员：王尧，刘卫国，刘云天，蒋峻峰，魏晨露，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61