一种基波电流补偿高次谐波电流的LCCL谐振结构制造技术

本发明专利技术公开了一种基波电流补偿高次谐波电流的LCCL谐振结构，该结构包括：谐振电感，电磁感应式无线电能传输（Inductive Contact ‑less Power Transfer，ICPT）系统电能发射端线圈，并联谐振电容，串联谐振电容，ICPT系统电能发射端线圈与串联谐振电容串联之后，再与并联谐振电容并联，之后与谐振电感串联，并且采用LCCL谐振结构输入端基波电流补偿LCCL谐振结构输入端高次谐波电流的方法，给出该结构的参数设计关系，达到与LCCL谐振结构相连接的ICPT系统全桥逆变器工作在零电流关断状态的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种基波电流补偿高次谐波电流的LCCL谐振结构
本专利技术涉及无线电能传输
，具体涉及一种电磁感应式非接触电能传输系统电能发射端谐振结构。
技术介绍
电磁感应式无线电能传输(InductiveContactlessPowerTransfer，ICPT)系统利用电磁感应原理，采用电磁谐振的方式，实现电能的非接触传输。该技术相比采用激光、微波载波方式，具有不受中间非磁性障碍物影响、对生物体影响小的优点，是10m以下近距离非接触传输大功率电能的最佳方式之一。ICPT技术为解决磁悬浮列车移动供电、内植式医疗设备密闭空间供电、水下无电缆监测电能传输、电动汽车无线充电等问题提供了一条新的可行解决方案。ICPT系统发射端线圈与接收端线圈之间存在较大的气隙，磁场在气隙中磁阻较大，发射端线圈难以形成较为集中的磁路与接收端线圈相耦合。由此产生了发射端线圈与接收端线圈互感系数低、线圈漏感大的问题。随着发射端线圈与接收端间隔距离增大，线圈间互感系数急剧下降，同时漏感急剧增大，直接影响了ICPT系统电能传输的功率和效率。所以目前实用的基于电磁感应原理的无线电能传输技术均具有针对线圈漏感的谐振网络结构，也即均为磁耦合谐振式结构。目前现有技术以一阶基本型结构、二阶LC结构为主，少数采用三阶谐振网络结构。在三阶谐振网络方面，大部分借鉴软开关谐振变换器的思路，以LCL谐振结构为主。LCL谐振络结构通过谐振的方式，大幅增加ICPT系统输出功率能力，同时利用该结构在谐振时的选频特性，使得输入线圈的电流波形呈现准正弦波波形，间接减少了电磁干扰。此外，LCL谐振结构还可以解决线圈并联电容与高频逆变器间的环流问题。因此，到目前为止LCL谐振网络与其他谐振网络相比，具有较为优良的性能，是该领域目前主流技术方向。目前，采用LCL三阶结构作为谐振补偿结构的设计中，都是对称结构，即二端口网络输入、输出完全对称，输入二端口与输出二端口可以互换。这是为了保证输入、输出阻抗无电抗分量、均呈现纯电阻特性而有意为之，意图达到逆变器零电压开通(ZVS)和零电流关断(ZCS)的目的。但是该对称性结论是在只分析单一频率的正弦波情况下得到的，忽略了其他频率谐波。然而，作为ICPT系统的谐振补偿网络，实际输入波形并非单一频率正弦波，而是方波。电压型逆变器对应于电压方波，电流型逆变器对应于电流方波。所以，对称型LCL三阶结构并不能达到输入输出阻抗为纯电阻的效果。ICPT系统逆变器在开关时刻，通过功率管的瞬时电流值并不为零，导致逆变器处于硬关断工作状态，产生较大的开关损耗。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种基波电流补偿高次谐波电流的LCCL谐振结构，该结构可以实现ICPT系统逆变器的零电流关断。本专利技术一种基波电流补偿高次谐波电流的LCCL谐振结构，该结构包括：谐振电感，ICPT系统电能发射端线圈，并联谐振电容，串联谐振电容，ICPT系统电能发射端线圈与串联谐振电容串联之后，再与并联谐振电容并联之后，再与谐振电感串联，该结构对应的等效电路为：电感L‘2、电容C’2、ICPT系统电能发射端线圈交流电阻R‘l、ICPT系统电能接收端反射阻抗Z’f形成串联支路后，再与电容C‘1形成并联支路，最后与电感L’1形成串联支路，相应地，Rl为R‘l的电阻值，Zf为Z’f的反射阻抗值，C1表示电容C‘1的电容容值，C2表示电容C’2的电容容值，L1表示电感L’1的电感值，L2表示电感L‘2的电感值，并且满足：谐振电感与串联谐振电容在角频率ω0处形成谐振，即Zf可分解为电抗分量Xf和电阻分量Rf，在ICPT系统电能接收端侧进行阻抗变换消除其电抗分量Xf，只保留其电阻分量Rf；C2的值大于且小于在ICPT系统实际应用中，一般只有一个电容，这时称为LCL谐振结构。由于L2为ICPT系统电能发射端线圈电感，通常呈现较大感抗，直接向LCL谐振结构注入高频交流电，会导致注入LCL谐振结构的电流值幅值过小，不能有效的带动LCL谐振结构后接的ICPT系统电能发射端线圈以产生较强的高频交变磁场。所以，会在ICPT系统电能发射端线圈上串联一个串联谐振电容，消除ICPT系统电能发射端线圈的一部分感抗，从而降低谐振结构的输入电阻，提升流过线圈的高频交变电流幅值。进一步地，在实际连接导线带宽低于100倍基波频率时，L1，L2，C1，C2满足条件：首先明确该LCCL谐振结构中参数的意义，Pout,nom为输出LCCL谐振结构额定输出功率、f0为LCCL结构共振频率、Vin为LCCL结构输入电压有效值，Rf为ICPT系统电能接收端反射阻抗的电阻分量，Xf为ICPT系统电能接收端反射阻抗的电抗分量。在发射端耦合线圈共振频率f0时，测定ICPT系统电能接收端反射阻抗Zf、发射线圈电感L2，并将Zf电阻分量记为Rf，电抗分量记为Xf，利用公式(1)计算ICPT系统电能发射端线圈额定输出电流Iout,nom。计算公式为：利用公式(2)计算LCCL谐振结构角频率ω0，ω0＝2πf0(2)利用公式(3)计算LCCL谐振结构中C1，利用公式(4)确定LCCL谐振结构中电感值L1，使得电感L’1与电容C‘1在角频率ω0处形成谐振，判断LCCL谐振结构中电感值L1是否满足下列式(5)，如果不满足。则调整Vin以及f0使得LCCL谐振结构中电感值L1满足条件(5)。在ICPT系统逆变器开关时刻，基波下LCCL谐振结构的输入基波电流值表达式(6)：其中，式中Vdc为ICPT系统逆变器输出电压幅值，Iin,1为LCCL谐振结构的输入基波电流值表达式，Iin,off,1为ICPT系统逆变器开关时刻LCCL谐振结构的输入基波电流值表达式，C2、Iin,1为未知量。若忽略逆变器的死区中断可以将逆变器输出的方波电压值展开成式(8)所示傅里叶级数形式，其中t＝0时对应于ICPT系统逆变器开关时刻。由于LCCL型谐振网络电路结构具有良好的低通滤波特性，若只考虑Vin基波，忽略高次谐波，得到Vin的近似值：根据LCCL电路结构，有(10)(11)所示关系：当L1与C1满足式(12)时，线圈注入电流值Iout仅与LCCL谐振网络二端口输入电压Vin有关，与反射阻抗Zf无关。此时L1与C1在角频率为基波角频率ω0时形成谐振。从而有Iout＝-jω0C1Vin(13)只考虑基波时，LCCL谐振网络输入电流值为式(14)为忽略高次谐波情况下的LCCL谐振网络二端口输入电流，Iin中除基波电流Iin,1外，还包含有大量的高次谐波电流Iin,n(n＝3,5,7,…)。通过傅里叶分解可以把Iin展开成式(15)的形式，当t＝0时，对应于ICPT系统逆变器的开关时刻。开关时刻逆变器输出电流各谐波总和为当电能接收端为电容串联补偿形式时，反射电阻和反射电抗随着谐波次数增高，呈现式(17)、(18)趋势。其中，Rf,n,ser为ICPT系统电能接收端采用电容串联补偿形式时反射到电能发射端的反射电阻值，Xf,n,ser为ICPT系统电能接收端采用电容串联补偿形式时反射到电能发射端的反射电抗值，Rload,0为电能接收端负载电阻，n为谐波阶数，Q为电能接受端谐振电路品质因数，∝表示正比关系。Xf,n,ser∝n(18)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基波电流补偿高次谐波电流的LCCL谐振结构，其特征在于该谐振结构包括：谐振电感(110)，ICPT系统电能发射端线圈(111)，并联谐振电容(211)，串联谐振电容(210)，所述的ICPT系统电能发射端线圈(111)与所述的串联谐振电容(210)串联之后，再与所述的并联谐振电容(211)并联之后，最后与所述的谐振电感串联(110)，该结构对应的等效电路为：电感L‘

【技术特征摘要】
1.一种基波电流补偿高次谐波电流的LCCL谐振结构，其特征在于该谐振结构包括：谐振电感(110)，ICPT系统电能发射端线圈(111)，并联谐振电容(211)，串联谐振电容(210)，所述的ICPT系统电能发射端线圈(111)与所述的串联谐振电容(210)串联之后，再与所述的并联谐振电容(211)并联之后，最后与所述的谐振电感串联(110)，该结构对应的等效电路为：电感L‘2、电容C’2、ICPT系统电能发射端线圈交流电阻R‘l、ICPT系统电能接收端反射阻抗Z’f形成串联支路后，再与电容C‘1形成并联支路，最后与电感L’1形成串联支路，相应地，Rl为R‘l...

【专利技术属性】
技术研发人员：高键鑫，吴旭升，汪小娜，高嵬，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42