基于附加耦合电感的谐振变换器用调节装置及控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于附加耦合电感的谐振变换器用调节装置及控制方法，该装置包括激励源和控制器，还包括附加耦合电感，其中激励源与附加耦合电感原边相连，附加耦合电感的副边串联和/或并联在待调节主电路的原边和/或副边的任意支路中。其优点在于：控制简单，以弱控强，通过较小的电流激励，采用附加耦合电感的方式，来实现任意失谐支路的调谐和/或输出电压、电流、功率和系统效率的调节。

Adjusting device and control method of resonant converter based on additional coupling inductance

The invention discloses an adjusting device and a control method for a resonant converter based on an additional coupling inductance. The device comprises an exciting source and a controller, and an additional coupling inductance, wherein the exciting source is connected to the primary side of the additional coupling inductance, and the secondary side of the additional coupling inductance is connected in series and/or parallel to the primary side and/or to the primary side of the main circuit to be adjusted. Or any branch on the side. It has the advantages of simple control, strong weak control, small current excitation and additional coupling inductance to realize the tuning and / or output voltage, current, power and system efficiency regulation of any detuning branch.

【技术实现步骤摘要】
基于附加耦合电感的谐振变换器用调节装置及控制方法
本专利技术涉及电力电子技术、非接触电能传输技术、非接触电能传输系统的控制技术，具体涉及一种基于附加耦合电感的调节装置及控制方法。
技术介绍
谐振变换器在功率变换领域具有广泛的应用，但是谐振元件(L、C)的老化、温飘会导致系统电路参数改变，从而导致电路失谐，增益变化、效率降低，器件应力提高，功率处理能力下降，可靠性降低。另一方面，在一些应用场合会要求或希望变化器中的某些谐振元件的大小(感抗、容抗)能够随着系统工况的变化而变化，从而改善系统的工作性能。以非接触谐电能传输应用背景(不限于)下的谐振变换器为例，其中的补偿元件(L、C)的大小一般依据原副边的额定位置的电气参数来设计，但在变气隙或者原、副边之间错位时引起的原、副边自感以及之间互感的变化。若不能及时调整补偿元件大小，将会丧失完全补偿时低逆变器伏安容量、低电流应力、软开关以及最大功率输出等优点，严重时会导致系统的不稳定甚至失控。最新的SAE标准，对电动汽车的实际应用场合提出了互操作性的要求，大多数情况下非接触供电系统的原边侧和副边侧来自于不同的生产商，因此变压器绕组结构以及补偿拓扑的不同都给其互操作带来困难，满足在不同的错位和变气隙下，不同补偿拓扑以及结构的原副边之间无线功率能够稳定高效的传输，是互操作性的基本要求之一。为了解决上述问题，系统需要动态地调整谐振元件阻抗大小，来补偿其中随机的、由环境或人为导致的失谐阻抗，进而能保证功率传输的稳定、高效。附图11为传统的基于可调电感(电容)的动态调谐方法；该方法一般通过对电容两端的电压信号进行采样，根据电压信号控制双向开关每半周期的无功能量注入来实现可调电容或可调电感，但会带来以下缺点：(1)由额外增加的无源阻抗所决定的固定的补偿能力以及固有的单向调节能力(也有通过增加并联电容实现补偿的双向调节，但与此同时也进一步减小了补偿能力)；(2)会在补偿侧引入额外的电流谐波，同时也要考虑开关的电压应力问题；(3)用于串联补偿时存在浮地电压采样问题，因此常用在并联补偿场合。附图12为开关电容动态调谐方法；该方法通过检测系统的失谐情况逐次增加或者减少串入电路中开关电容的数量，进而实现系统的动态调谐。此方法只能实现补偿电容的单方向上数值的改变，可调容值离散，控制精度受电容数量所限制，且并列电容的动态调谐方法随着负载功率范围增大，所需的电容个数将会越来越多，随之增加了功率控制开关管和相应的驱动电路，增加了控制难度和系统体积。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：非接触谐振变换器等谐振变换器由于负载变化、原副边位置变化以及环境变化等各种变参数下动态调谐问题。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于附加耦合电感的谐振变换器用调节装置，该装置包括激励源和控制器；还包括附加耦合电感，其中激励源与附加耦合电感原边相连，附加耦合电感的副边串联和/或并联在待调节主电路的原边和/或副边的任意支路中(如附图1、附图2所示)。本专利技术的进一步设计在于：所述附加耦合电感的原边绕组数量、副边绕组数量为一个或多个。所述激励源为可调交流电流源，或为可调交流电压源，或为由直流源、逆变器、补偿网络构成的等效可调交流电压源或等效可调交流电流源。所述附加耦合电感原副边之间为紧耦合，或为松耦合；副边为独立绕组，或为与待调节主电路中的变压器的原边和/或副边绕组、或主电路的电感绕组全部或部分共用(如附图3、附图4所示)。附加耦合电感原副边之间的互感值大小固定或为可调节的，调节通过机械装置使附加耦合电感绕组间相对位置发生变化(如附图6、附图7、附图8所示)，或使得附加耦合电感的原边和/或副边绕组的引出端滑动来调节绕组匝数(如附图9所示)，或通过加入位置可调的金属材料和/或高导磁材料，从而调节耦合电感的互感值。直流源可采用独立电源，也可以与主电路中的供电源共用。所述逆变器采用推挽、半桥或全桥电压源型逆变网络，或采用电流型推挽、电流源型半桥、电流源型全桥或反激式电流源型逆变网络。所述补偿网络采用串联(S)、并联(P)、串并(SP)、并串(PS)、LCL、LCC、CLC或以上组合型补偿拓扑(如附图10所示)。一种基于附加耦合电感的谐振变换器用调节装置的控制方法，该方法根据主电路中待调节端口的失谐状况和/或输出特性，相应地控制附加耦合电感原边注入电流的大小及相位和/或原副边之间互感值大小，从而改变副边侧的等效阻抗来实现控制目标的调节，该方法的具体步骤是：步骤1.以待调节端口的输入阻抗角为额定值、输出电压或输出电流或功率为额定值、效率最高或输出功率最大中的一个或者多个为控制目标；步骤2.检测待调节端口的失谐状况和/或输出的电路特征，控制器检测待调节端口的电压、电流的相位关系和/或输出电压、电流、功率信息，判断得到当前控制目标的偏移情况；步骤3.获取附加耦合电感副边侧电流(Ias)的相位及有效值信息，其中，电流的相位信息作为附加耦合电感原边激励源的基准信号，电流的有效值信息作为附加耦合电感原边激励源(Iap)的基准值；步骤4.根据步骤3的检测信息，相应地通过调节附加耦合电感原边电流Iap的相位及大小和/或附加耦合电感原副边之间的互感值Maps大小来调节附加耦合电感副边侧等效阻抗Zeqs，进而实现对控制目标的调节；具体阻抗调节的大小和性质通过爬山算法或者通过误差反馈PID闭环控制方式得到；步骤5.重复步骤2-4，实时监控待调节端口中与控制目标相对应参数的变化，实现控制目标的动态调节。具体阻抗调节的大小和性质或根据拓扑特征、实时计算、经验公式或查表方式得到。本专利技术相比现有技术具有如下优点：1、本专利技术的控制方法控制容易，简单可靠；2、本专利技术的控制方法以弱控强，通过较小的电流激励来实现失谐侧等效阻抗的大范围调节；3、本专利技术的控制方法不会在失谐侧引入额外的电流、电压谐波，不存在EMI问题；本专利技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1为附加耦合电感副边为独立绕组且串联在主电路变压器原边的示意图。图2为附加耦合电感副边为独立绕组且串联在主电路变压器副边的示意图。图3为附加耦合电感副边与主电路变压器副边绕组共用的示意图。图4为动态调节装置中附加耦合电感副边绕组与主电路中绕组共用的示意图。图5为通过机械装置来调节附加耦合电感原副边之间互感值的示意图。图6为通过金属材料或者高导磁材料的插入/拔出来调节附加耦合电感互感值的示意图。图7为通过机械装置调节附加耦合电感原副边位置的示意图。图8为通过旋转机械装置调节附加耦合电感原副边之间互感值的示意图。图9为通过原副边绕组引出端子调节附加耦合电感原副边之间互感值的示意图。图10为动态调节装置中补偿拓扑的示意图。图11为传统的基于可调电感(电容)的动态调谐方法示意图；图12为传统的开关电容动态调谐方法示意图；图13为本专利技术基于附加耦合电感的谐振变换器用调节装置示意图；图14为实施例一中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于附加耦合电感的谐振变换器用调节装置，该装置包括激励源和控制器；其特征在于，还包括附加耦合电感，其中激励源与附加耦合电感原边相连，附加耦合电感的副边串联和/或并联在待调节主电路的原边和/或副边的任意支路中。

【技术特征摘要】
1.一种基于附加耦合电感的谐振变换器用调节装置，该装置包括激励源和控制器；其特征在于，还包括附加耦合电感，其中激励源与附加耦合电感原边相连，附加耦合电感的副边串联和/或并联在待调节主电路的原边和/或副边的任意支路中。2.根据权利要求1所述的基于附加耦合电感的谐振变换器用调节装置，其特征在于，所述附加耦合电感的原边绕组数量、副边绕组数量为一个或多个。3.根据权利要求2所述的基于附加耦合电感的谐振变换器用调节装置，其特征在于，所述激励源为可调交流电流源，或为可调交流电压源，或为由直流源、逆变器、补偿网络构成的等效可调交流电压源或等效可调交流电流源。4.根据权利要求1或2所述的基于附加耦合电感的谐振变换器用调节装置，其特征在于，所述附加耦合电感原副边之间为紧耦合，或为松耦合；副边为独立绕组，或为与待调节主电路中的变压器的原边和/或副边绕组、或主电路的电感绕组全部或部分共用。5.根据权利要求4所述的基于附加耦合电感的谐振变换器用调节装置，其特征在于，附加耦合电感原副边之间的互感值大小固定或为可调节的，调节通过机械装置使附加耦合电感绕组间相对位置发生变化，或使得附加耦合电感的原边和/或副边绕组的引出端滑动来调节绕组匝数，或通过加入位置可调的金属材料和/或高导磁材料，从而调节耦合电感的互感值。6.根据权利要求5任一所述的基于附加耦合电感的谐振变换器用调节装置，直流源可采用独立电源，也可以与主电路中的供电源共用。7.根据权利要求6所述的基于附加耦合电感的谐振变换器用调节装置，其特征在于，所述逆变器采用推挽、半桥或全桥电压源型逆变网络，或采用电流型推挽、电流源型半桥、电流源型全桥或反激式电流源型逆变网络。8...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿玉川，陈乾宏，高伟，任小永，张之梁，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32