基于磁耦合无线电能传输的直流变压器系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于磁耦合无线电能传输的直流变压器系统，包括：DC‑AC逆变模块，用于将输入直流转变为原边高频交流；无线电能传输模块，包括原边谐振模块以及副边谐振模块，原边谐振模块接收所述高频交流，并将其转换成强耦合的电磁场发送给副边谐振模块；所述副边谐振模块接收所述的电磁能后又将其转换为副边高频交流；整流滤波模块，用于将副边高频交流整流转换成直流并滤除高频分量，并最终输出的直流电压。本发明专利技术的变压器系统的电路结构简单、可靠、实用，且实现了变压器两侧之间高效率的、传输功率可控的无线电能传输。

DC transformer system based on magnetically coupled radio energy transmission

The invention provides a DC transformer system based on magnetic coupling radio power transmission, which comprises a DC_AC inverter module for converting an input DC into a primary high frequency AC; a radio power transmission module, including a primary side resonance module and a secondary side resonance module, and a primary side resonance module for receiving the high frequency AC and putting it into use. The sub-side resonance module receives the electromagnetic energy and then converts it into the sub-side high frequency AC. The rectifier filter module is used to convert the sub-side high frequency AC rectifier into DC and filter out the high frequency components, and finally outputs the DC voltage. The circuit structure of the transformer system of the invention is simple, reliable and practical, and the high efficiency and controllable radio power transmission between the two sides of the transformer is realized.

【技术实现步骤摘要】
基于磁耦合无线电能传输的直流变压器系统
本专利技术涉及无线电能传输以及电力电子
，特别是一种基于磁耦合无线电能传输的直流变压器系统。
技术介绍
直流变换器分为输出可以调节的直流变换器和输出不调节的直流变压器两种类型，直流变压器可以实现功率的传输和电压的提升，在高压直流输电系统中广泛应用，而在新能源领域，如光伏、燃料电池、超级电容等场合也有诸多应用，同时直流-直流变压器技术还可用于进行直流电压采样及直流能量传输与阻抗变换电路。直流-直流变压器一般采用电力电子方案解决，其中完成隔离变压任务的一般采用基于电磁感应原理的高频变压器，即采用先直流逆变得到交流，交流通过高频变压器变换完成变压比及电气隔离任务，最后再整流得到直流，即常见的DC/AC/DC方案。目前直流-直流变压器主要用于高压直流输电系统及新能源领域，如光伏、燃料电池、超级电容等场合有广泛应用。强磁耦合无线电能传输变换技术是一项极有前途的高新技术，有着极为广泛应用前景，对于采用强磁耦合无线电能传输变换方案一样可以得到直流-直流变压器，不同于常规电力电子方案通过电磁感应原理的变压器的隔离方式，它通过原、副边线圈的高频谐振耦合原理进行能量传输，可以实现原边与副边线圈无磁芯方案的物理隔离而同时实现无线电能传递，在工业应用中可使设计更灵活。但考虑到强磁耦合无线电能传输对副边也就是能量接收侧的负载变化或能量潮流变化十分敏感，故需要对这个无线电路传输的工作频率以及输出功率进行调节，以实现变压器两侧之间高效率的、传输功率可控的无线电能传输。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术旨在提供一种基于强磁耦合的无线电能传输变换的直流变压器系统，用强磁耦合无线电能传输变换部分替代高频变压器，通过无线电能传输变换技术实现了直流-直流变压器的能量传输，且通过对无线电能传输的工作频率以及输出功率进行控制调节实现了变压器两侧之间高效率的、传输功率可控的无线电能传输。本专利技术的目的采用以下技术方案来实现：提供了一种基于磁耦合无线电能传输的直流变压器系统，包括：DC-AC逆变模块，用于将输入直流转变为原边高频交流；无线电能传输模块，包括原边谐振模块以及副边谐振模块，原边谐振模块接收所述高频交流，并将其转换成强耦合的电磁场发送给副边谐振模块；所述副边谐振模块接收所述的电磁能后又将其转换为副边高频交流；整流滤波模块，用于将副边高频交流整流转换成直流并滤除高频分量；直流输入的正负端与DC-AC逆变模块的输入端连接；DC-AC逆变模块的输出端与无线电能传输模块的输入端连接；无线电能传输模块的输出端与整流滤波模块的输入端连接；整流滤波模块得到最终输出的直流电压。优选地，所述DC-AC逆变模块为单相全桥逆变电路，包括有两个并联的桥臂，每个桥臂上串联有两个全控型晶体管。优选地，所述无线电能传输模块包括：电感为Ly的原边线圈、电容Cy、电感为Lf的副边线圈、电容Cf；所述原边线圈与电容Cy串联后与DC-AC逆变模块的输出连接，组成无线电能传输模块的原边，即输入端；所述副边线圈与电容Cf并联，组成无线电能传输模块的副边，即输出端。优选地，所述整流滤波模块包括全桥整流电路以及LC滤波电路，所述全桥整流电路的输入端与无线电能传输模块的输出端连接，全桥整流电路的输出端连接LC滤波电路后输出。优选的，所述直流变压器系统还包括：采样监测单元、过零检测单元、驱动模块以及控制模块，所述采样监测单元用于采样并监测DC-AC逆变模块输入端和输出端、以及整流滤波的输出端的电压以及流经的电流；所述过零检测单元用于获取监测到的电压、电流在一个谐振周期经过零点的时刻；所述控制模块用于对DC-AC逆变模块的工作频率以及直流变压器的输出功率进行控制；所述驱动模块受控制模块控制，驱动DC-AC逆变模块中的开关管开通或关断。优选地，所述控制模块包括用于判断无线电能传输模块是否处于谐振状态的状态判断单元以及用于在失谐传输时调节DC-AC逆变模块的工作频率使得其与谐振频率相适应的频率修正单元，所述控制模块对DC-AC逆变模块的工作频率进行调节的具体过程为：(1)状态判断：采样监测单元对DC-AC逆变模块的输入端电压以及电流进行采样监测，并将采样监测结果送入状态判断单元内，采样监测到的输入端电压、电流被通过乘法器以及零值比较器，若电压、电流的乘积大于0，则无线电能传输模块处于谐振状态，此时DC-AC逆变模块的工作频率适应无线电能传输模块的谐振频率；否则，状态判断单元判断无线电能传输模块处于失谐状态，进入步骤(2)；(2)调节函数建立：过零检测单元计算出DC-AC逆变模块的输入端电压以及电流的过零时刻，并依据该时刻建立频率调节函数，所述频率调节函数为：式中，Ut电压反馈调节值；fk为DC-AC逆变模块中开关器件的开关频率；ti为DC-AC逆变模块的输入电压过零的时刻；tj为DC-AC逆变模块的输入电流过零的时刻；Uset为已知的电压比较值，代表了与无线电能传输模块的谐振频率相适应的设定电压；γ为频率方差调节因子；fz为无线电能传输模块的谐振频率。(3)根据所述频率调节函数，对DC-AC逆变模块中开关器件的开关频率进行调节，使得开关频率回归至与无线电能传输模块的谐振频率相对应的频率；其中，具体对开关器件的开关频率的调节过程为：1)获取位于无线电能传输模块的谐振频率σ邻域为：[fz-σ，fz+σ]；该领域的端点频率对应于频率调节函数上的同一个电压反馈调节值，记为参考电压调节值Uck；2)设置第i次采样获取得到的DC-AC逆变模块的工作频率为fki；并依据该次采样获取到的DC-AC逆变电路输入端的电压、电流过零时刻，计算出第i次调节对应的电压反馈调节值Uti；依据计算出来的电压反馈调节值Uti与参考电压调节值Uck比较，根据第i-1次采样获取得到的DC-AC逆变电路的工作频率fk(i-1)与第i次采样获取得到的DC-AC逆变电路的工作频率fki比较的相对大小以及电压反馈调节值Uti与参考电压调节值Uck的相对大小，不同的比较结果采取不同的策略去更新现有的工作频率fki，使得现有的工作频率fki向着谐振频率fz靠近；将更新后的工作频率通过处理触发驱动电路，进行DC-AC逆变模块的频率调整。3)当计算得到的第i次调节对应的电压反馈调节值Uti等于电压比较值Uset时，则调节过程结束，实现了DC-AC逆变模块中开关器件的开关频率回归至与无线电能传输模块的谐振频率相对应的频率；否则，继续进行步骤2)。本专利技术的有益效果为：磁耦合无线电能传输变换技术实现直流-直流变压器；能进行无线电能传输，使应用场合更为灵活，该电路结构简单、可靠、实用。本专利技术直流-直流变压器在高压直流输电系统、新能源应用领域，在直流能量无线传输及无线方案直流阻抗变换电路以及某些特殊实验等应用领域均可广泛应用；且对该变压器系统的电路模型进行分析，并提出了一种具有对无线电能传输的工作频率以及输出功率进行控制调节的直流-直流变压器系统，实现了变压器两侧之间高效率的、传输功率可控的无线电能传输。附图说明利用附图对本专利技术作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本专利技术的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。图1为本专利技术的一个优选实施例中直流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于磁耦合无线电能传输的直流变压器系统，其特征在于，包括：DC‑AC逆变模块，用于将输入直流转变为原边高频交流；无线电能传输模块，包括原边谐振模块以及副边谐振模块，原边谐振模块接收所述高频交流，并将其转换成强耦合的电磁场发送给副边谐振模块；所述副边谐振模块接收所述的电磁能后又将其转换为副边高频交流；整流滤波模块，用于将副边高频交流整流转换成直流并滤除高频分量；直流输入的正负端与DC‑AC逆变模块的输入端连接；DC‑AC逆变模块的输出端与无线电能传输模块的输入端连接；无线电能传输模块的输出端与整流滤波模块的输入端连接；整流滤波模块得到最终输出的直流电压。

【技术特征摘要】
1.一种基于磁耦合无线电能传输的直流变压器系统，其特征在于，包括：DC-AC逆变模块，用于将输入直流转变为原边高频交流；无线电能传输模块，包括原边谐振模块以及副边谐振模块，原边谐振模块接收所述高频交流，并将其转换成强耦合的电磁场发送给副边谐振模块；所述副边谐振模块接收所述的电磁能后又将其转换为副边高频交流；整流滤波模块，用于将副边高频交流整流转换成直流并滤除高频分量；直流输入的正负端与DC-AC逆变模块的输入端连接；DC-AC逆变模块的输出端与无线电能传输模块的输入端连接；无线电能传输模块的输出端与整流滤波模块的输入端连接；整流滤波模块得到最终输出的直流电压。2.根据权利要求1所述的一种基于磁耦合无线电能传输的直流变压器系统，其特征在于，所述DC-AC逆变模块为单相全桥逆变电路，包括有两个并联的桥臂，每个桥臂上串联有两个全控型晶体管。3.根据权利要求1所述的一种基于磁耦合无线电能传输的直流变压器系统，其特征在于，所述无线电能传输模块包括：电感为Ly的原边线圈、电容Cy、电感为Lf的副边线圈、电容Cf；所述原边线圈与电容Cy串联后与DC-AC逆变模块的输出连接，组成无线电能传输模块的原边，即输入端；所述副边线圈与电容Cf并联，组成无线电能传输模块的副边，即输出端。4.根据权利要求1所述的一种基于磁耦合无线电能传输的直流变压器系统，其特征在于，所述整流滤波模块包括全桥整流电路以及LC滤波电路，所述全桥整流电路的输入端与无线电能传输模块的输出端连接，全桥整流电路的输出端连接LC滤波电路后输出。5.根据权利要求1所述的一种基于磁耦合无线电能传输的直流变压器系统，其特征在于，所述直流变压器系统还包括：采样监测单元、过零检测单元、驱动模块以及控制模块，所述采样监测单元用于采样并监测DC-AC逆变模块输入端和输出端、以及整流滤波的输出端的电压以及流经的电流；所述过零检测单元用于获取监测到的电压、电流在一个谐振周期经过零点的时刻；所述控制模块用于对DC-AC逆变模块的工作频率以及直流变压器的输出功率进行控制；所述驱动模块受控制模块控制，驱动DC-AC逆变模块中的开关管开通或关断。6.根据权利要求5所述的一种基于磁耦合无线电能传输的直流变压器系统，其特征在于，所述控制模块包括用于判断无线电能传输模块是否处于谐振状态的状态判断单元以及用于在失谐传输时调节DC-AC逆变模块的工作频率使得其与谐振频率相适应的频率修正单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨金源，
申请(专利权)人：深圳智达机械技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44