一种高效率谐振型无线电能传输系统技术方案

本发明专利技术提出了一种高效率谐振型无线电能传输系统，包括（1）耦合线圈LTx和LRx及谐振电容CTx和CRx构成串联谐振网络；（2）发射侧输入电压Vdc，输入扼流电感Lin，主开关管MTx和其并联电容Cds1构成E类逆变电路；（3）接收侧输出电容Co，输出扼流电感Lout，同步开关管MRx和其并联电容Cds2构成E类同步整流电路。本发明专利技术采用E类同步整流电路替代常规的二极管整流，能够大幅减少损耗二极管的导通损耗，提升系统效率；同步整流控制信号与发射端信号相互独立，直接从接收端开关管MRx的导通压降处获得开通和关断信息，避免了传统同步整流技术的问题；基于变压器取能的高效率辅助源电路，能够大幅减少传统线性辅助源的低效率问题，提升系统总效率。

【技术实现步骤摘要】
一种高效率谐振型无线电能传输系统
本专利技术涉及能力传输系统，特别涉及一种高效率谐振型无线电能传输系统。
技术介绍
磁耦合谐振型无线能量传输系统核心架构如图1所示，通过两个电感线圈LTx和LRx的耦合，实现电能的传输。由于线圈漏感的存在使得直接耦合状态下，传输的功率和效率都很低，所以将电感线圈与电容串联形成谐振，构成谐振型无线能量传输系统以提高效率和功率。图1中，Uin为输入的交流源，LTx和LRx为耦合的电感线圈，CTx和CRx为谐振电容，RTx和RRx为谐振回路的内阻，RL为等效交流负载电阻。但核心架构仅完成高频下“交流-交流”的传输，不适合常规“直流-直流”(DC-DC)的应用。桥式拓扑下DC-DC无线能量传输系统的电路拓扑如图2所示，其中交流电压源由逆变电路提供，通常为半桥型逆变电路(包括图中的Vdc，M1和M2)或全桥型逆变电路；而等效负载由整流电路构成，通常为全桥整流电路(包括二极管D1～D4，Lr和Co)。E类拓扑下“直流-直流”无线能量传输系统的电路拓扑如图3所示，其中交流电压源由逆变电路提供，通常为E类逆变电路(包括图中的Vdc，Lin，M和Cds)；而等效负载由整流电路构成，通常为全桥整流电路(包括图中的Co，Lout，D和Cd)。桥式拓扑下DC-DC无线能量传输系统设计方法成熟，电压应力较低适合较大功率运行；也可以工作于D类谐振功率放大模式以完成零电压开通(ZVS)。但是D类谐振功率放大电路有着一些不可避免的缺陷：(1)桥式电路需要死区电路，所以限制了最高工作频率；(2)桥式电路驱动会有栓锁效应，影响系统可靠性；(3)输入电流不连续需要额外的输入滤波电路；(4)二极管反向导通时间较长降低系统效率。E类拓扑下DC-DC无线能量传输系统由于其：(1)单管结构对地驱动简单可靠可以解决死区问题和驱动问题；(2)输入电感使电流电续；(3)波形除了有ZVS特性还有近似ZDS(零电压斜率)特性，可以解决二极管反向损耗问题；使无线电能传输系统能够应用在更高的传输频率中。但是E类拓扑下“直流-直流”无线能量传输系统仍然有许多待以解决的问题包括：(1)整流侧二极管的损耗较大，影响系统效率；(2)传统的同步整流技术需要从发射端将信号传至接收端，但在无线充电应用中不同于一般隔离电源，由于距离限制，无法增加额外的变压器或光耦传递同步整流信息；(3)在较高电压(>24V)的应用中，发射端和接收端辅助电源的供电若采用线性电路供电，会产生额外功耗，降低系统效率。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷或不足，本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种高效率谐振型无线电能传输系统。为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种高效率谐振型无线电能传输系统，包括耦合电感线圈LTX和LRX、谐振电容CTX和CRX、E类逆变电路及E类整流电路；所述LTX的一端接地，LTX的另一端与CTX的一端相连，所述CTX的另一端与E类逆变电路相连；所述LRX的一端接地，LRX的另一端与CRX的一端相连，所述CRX的另一端与E类整流电路相连；其中，所述E类逆变电路包括直流供电电源Vdc、厄流线圈Lin、开关管MTX、与MTX并联的电容Cds1；所述Lin的一端与直流供电电源相连，Lin的另一端与所述开关管MTX的一端相连；所述开关管MTX的一端与CTX相连，MTX的另一端接地；所述E类整流电路包括同步整流开关管MRX、与MRX并联电容Cds2、输出厄流线圈Lout以及输出电容Cout；其中，所述Lout的一端与输出电容Cout的一端相连，Lout的另一端与所述开关管MRX的一端相连，所述输出电容Cout的另一端接地；所述开关管MRX的一端与CRX相连，MRX的另一端接地；所述E类逆变电路还包括高效率辅助源电路，所述辅助源电路生成辅助源Vaux1给时钟电路及驱动电路供电；所述辅助源电路包括变压器取能电路和线性稳压电路II，其中，采用由变压器T1，隔直电容CB1，二极管DF1，电容CF1构成的变压器取能电路作为辅助源电路的主体，从谐振网络上高效率地取能，经由线性稳压电路II产生稳定的输出电压Vaux1。作为本专利技术的进一步改进，所述辅助源电路还包括线性稳压电路I、竞争输出电路；在启动时变压器取能电路无法获取能量，由所述线性稳压电路I提供启动能量；所述竞争电路用于在启动完成后，低效率的线性稳压电路I不再提供能量。作为本专利技术的进一步改进，所述E类逆变电路还包括驱动电路和低功耗的时钟电路，所述低功耗的时钟电路用于产生固定的占空比和频率信号，经过驱动电路电流放大以驱动发射端开关管MTx。作为本专利技术的进一步改进，所述E类整流电路还包括高效率辅助源电路，所述辅助源电路生成辅助源Vaux2给时钟电路及同步整流电路供电；所述辅助源电路包括变压器取能电路和线性稳压电路III，其中，采用由变压器T2，隔直电容CB2，二极管DF2，电容CF2构成的变压器取能电路作为辅助源电路的主体，从谐振网络上高效率地取能，经由线性稳压电路IV，产生稳定的输出电压Vaux2。作为本专利技术的进一步改进，所述辅助源电路还包括线性稳压电路IV、竞争输出电路；在启动时变压器取能电路无法获取能量，由所述线性稳压电路IV提供启动能量；所述竞争电路用于在启动完成后，低效率的线性稳压电路I不再提供能量。作为本专利技术的进一步改进，所述变压器取能电路的取能点并联在谐振电容的两端，或并联在谐振电感的两端，或开关管并联电容的两端。本专利技术的有益效果是：本专利技术采用E类同步整流电路替代常规的二极管整流，能够大幅减少损耗二极管的导通损耗，提升系统效率；同步整流控制信号与发射端信号相互独立，直接从接收端开关管MRx的导通压降处获得开通和关断信息，避免了传统同步整流技术的问题；基于变压器取能的高效率辅助源电路，能够大幅减少传统线性辅助源的低效率问题，提升系统总效率。附图说明图1是磁耦合谐振型无线能量传输系统电路图；图2是基于桥式拓扑的DC-DC无线能量传输系统电路图；图3是基于E类拓扑的DC-DC无线能量传输系统电路图；图4是本专利技术的基于E类拓扑的无线能量传输系统主功率部分电路图；图5(a)是发射侧MTx上典型的电压电流波形；图5(b)是接收侧MRx上典型的电压电流波形；图6是发射侧主功率及其他辅助电路图；图7是接收侧主功率及其他辅助电路图。具体实施方式下面结合附图说明及具体实施方式对本专利技术进一步说明。本专利技术的无线能量传输系统基于E类拓扑，并且对现有技术中E类拓扑的缺点进行改进，使其达到较高的效率。首先在电路的接收侧引入同步整流MOSFET(MRx)代替整流用的二极管，电路主功率部分如图4所示。主功率电路包括以下组成部分：(1)耦合线圈LTx和LRx及谐振电容CTx和CRx构成串联谐振网络；(2)发射侧输入电压Vdc，输入扼流电感Lin，主开关管MTx和其并联电容Cds1构成E类逆变电路；(3)接收侧输出电容Co，输出扼流电感Lout，同步开关管MRx和其并联电容Cds2构成E类同步整流电路。主功率两个开关管MTx和MRx上典型的电压电流波形如图5所示，电路在开通时不仅仅保证了零电压通断(ZVS)，而且此时电压变化率也接近零(ZDS)，所以二极管反向导通电流可以忽略，所以损耗更小，效率更高。发射侧详细本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效率谐振型无线电能传输系统，包括耦合电感线圈LTX和LRX、谐振电容CTX和CRX、E类逆变电路及E类整流电路；所述LTX的一端接地，LTX的另一端与CTX的一端相连，所述CTX的另一端与E类逆变电路相连；所述LRX的一端接地，LRX的另一端与CRX的一端相连，所述CRX的另一端与E类整流电路相连；其中，所述E类逆变电路包括直流供电电源Vdc、厄流线圈Lin、开关管MTX、与MTX并联的电容Cds1；所述Lin的一端与直流供电电源相连，Lin的另一端与所述开关管MTX的一端相连；所述开关管MTX的一端与CTX相连，MTX的另一端接地；所述E类整流电路包括同步整流开关管MRX、与MRX并联电容Cds2、输出厄流线圈Lout以及输出电容Cout；其中，所述Lout的一端与输出电容Cout的一端相连，Lout的另一端与所述开关管MRX的一端相连，所述输出电容Cout的另一端接地；所述开关管MRX的一端与CRX相连，MRX的另一端接地；其特征在于：所述E类逆变电路还包括高效率辅助源电路，所述辅助源电路生成辅助源Vaux1给时钟电路及驱动电路供电；所述辅助源电路包括变压器取能电路和线性稳压电路II，其中，采用由变压器T1，隔直电容CB1，二极管DF1，电容CF1构成的变压器取能电路作为辅助源电路的主体，从谐振网络上高效率地取能，经由线性稳压电路II产生稳定的输出电压Vaux1。...

【技术特征摘要】
1.一种高效率谐振型无线电能传输系统，包括耦合电感线圈LTX和LRX、谐振电容CTX和CRX、E类逆变电路及E类整流电路；所述LTX的一端接地，LTX的另一端与CTX的一端相连，所述CTX的另一端与E类逆变电路相连；所述LRX的一端接地，LRX的另一端与CRX的一端相连，所述CRX的另一端与E类整流电路相连；其中，所述E类逆变电路包括直流供电电源Vdc、厄流线圈Lin、开关管MTX、与MTX并联的电容Cds1；所述Lin的一端与直流供电电源相连，Lin的另一端与所述开关管MTX的一端相连；所述开关管MTX的一端与CTX相连，MTX的另一端接地；所述E类整流电路包括同步整流开关管MRX、与MRX并联电容Cds2、输出厄流线圈Lout以及输出电容Cout；其中，所述Lout的一端与输出电容Cout的一端相连，Lout的另一端与所述开关管MRX的一端相连，所述输出电容Cout的另一端接地；所述开关管MRX的一端与CRX相连，MRX的另一端接地；其特征在于：所述E类逆变电路还包括高效率辅助源电路，所述辅助源电路生成辅助源Vaux1给时钟电路及驱动电路供电；所述辅助源电路包括变压器取能电路和线性稳压电路II，其中，采用由变压器T1，隔直电容CB1，二极管DF1，电容CF1构成的变压器取能电路作为辅助源电路的主体，从谐振网络上高效率地取能，经由线性稳压电路II产生稳定的输出电压Va...

【专利技术属性】
技术研发人员：张东来，刘明雨，王丹丹，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44