一种对称的电力变换器电路拓扑结构及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于双向近场电能传输的电力变换器电路拓扑及其控制方法，所述电路拓扑包括全桥逆变、原边谐振动态补偿网络、原边线圈、副边线圈、副边谐振动态补偿网络、全桥同步整流及负载。本发明专利技术采用线圈与可调谐振电容串联的结构，在不同的线圈耦合系数，不同负载大小及由于温度、器件生产制造误差等因素引起的系统参数变化等条件下，均能通过调整电容切换开关的PWM占空比产生连续变化可调的等效串联谐振电容对谐振网络进行动态补偿，来实现全桥逆变的软开关，最小化系统能量传输中的无功功率，进而最大化系统电能传输效率，在系统恒定工作频率情况下，有效增强了系统输出特性的调整能力。此外，由于电路结构具有对称性，可实现近场电能的双向传输，即实现电网与负载间的双向能量流动，提高了系统在智能电网中的利用率。

【技术实现步骤摘要】
一种对称的电力变换器电路拓扑结构及其控制方法
本专利技术涉及电力电子拓扑电路，尤其涉及一种对称的电力变换器电路拓扑结构及其控制方法。
技术介绍
近场电能传输是通过将高频电路通过原边线圈转化为交变电磁场，副边线圈中产生的高频感应电流经整流电路转化为直流输出。近年来，该技术已经普遍应用于智能手机的无线充电产品中，另外此技术在家用机器人、工业机器人、电动汽车领域亦具有广阔的应用前景。为了提高能量传输距离和效率，可以分别在原边线圈和副边线圈增加谐振补偿网络，即构成磁谐振。目前现有的谐振补偿网络的谐振频率由补偿网络中电感或电容、线圈自感或互感决定，在线圈间相对位置发生变化时，线圈自感及线圈间互感和耦合系数均会发生相应变化，另外在不同工作温度环境下，线圈结构中铁氧体的磁导率也会发生变化，进而导致线圈电气参数发生变化。此外，由于批量生产造成的电感误差及电容误差也无法避免。因此，在实际工作中，谐振频率会发生一定程度的变化，若开关频率偏离谐振频率过多，会造成高频逆变器的硬开关及过多无功功率损耗，功率输出能力降低等严重问题；若开关频率跟随谐振频率变化，则系统在不同工况下将占用较大的频率带宽资源，而一方面国内及国际相关标准均对工作频率范围进行了限定，另一方面，较宽的工作频率范围将使系统电磁兼容设计更加复杂，且增加系统成本。在未来智能电网系统中，大功率近场电能传输不仅仅是从电网传输到负载(如电池)的单向能量流动，为了优化电网供电与负荷之间的关系“削峰填谷”，这就要求近场电能传输系统具备双向能量流动的功能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供了一种对称的电力变换器电路拓扑结构。实现本专利技术目的的技术方案为：一种对称的电力变换器电路拓扑结构，包括输入直流电源U1、全桥逆变电路、原边谐振动态补偿网络、原边线圈3Li1、副边线圈3Lo1、副边谐振动态补偿网络、全桥同步整流电路及负载电池U2，所述全桥逆变电路、原边谐振动态补偿网络与副边谐振动态补偿网络、全桥同步整流电路的具体拓扑结构关于原边线圈3Li1、副边线圈3Lo1对称；所述输入直流电源U1、全桥逆变电路、原边谐振动态补偿网络依次连接，所述原边谐振动态补偿网络输出端分别与原边线圈3Li1的两端连接，所述副边线圈3Lo1的两端分别与副边谐振动态补偿网络的输入端连接，所述原边线圈3Li1、副边线圈3Lo1同名端相对，所述副边谐振动态补偿网络的输出端与全桥同步整流电路的输入端连接，全桥同步整流电路的输出端与负载电池U2的两端连接。优选地，所述全桥逆变电路包括第一母线电容CBUS1、四个开关管Qi1-Qi4，所述第一母线电容CBUS1的正极与输入直流电源U1的正极连接，所述第一母线电容CBUS1的负极与输入直流电源U1的负极连接，所述四个开关管Qi1-Qi4连接成逆变H桥，逆变H桥的正极与第一母线电容CBUS1的正极连接，逆变H桥的负极与第一母线电容CBUS1的负极连接。优选地，所述原边谐振动态补偿网络为至少一个补偿开关S、至少两个电容组成的具有非零偏置电容值的可调电容网络，即所有补偿开关断开或关闭时均有一定电容值的组合网络。优选地，所述原边谐振动态补偿网络包括第一串联电容Ci1、第一补偿电容Civ1、第一补偿开关Si1，其中，所述第一串联电容Ci1一端与第一补偿开关Si1的一端、全桥逆变电路的一个输出端共同连接，所述第一补偿开关Si1的另一端与第一补偿电容Civ1的一端连接，所述第一补偿电容Civ1的另一端与第一串联电容Ci1的另一端连接作为原边谐振动态补偿网络的一个输出端，所述全桥逆变电路的另一个输出端作为原边谐振动态补偿网络的另一个输出端。优选地，所述第一补偿开关Si1的实现方式为单个MOSFET或IGBT的单向开关，或者为两个或多个MOSFET或IGBT串联构成的双向开关。优选地，全桥同步整流电路包括第二母线电容CBUS2以及四个开关管Qo1-Qo4，四个开关管Qo1-Qo4连接成逆变H桥，逆变H桥的两个输入端分别与副边谐振动态补偿网络的两个输出端连接，所述逆变H桥的正极与第二母线电容CBUS2的正极连接，所述逆变H桥的负极与第二母线电容CBUS2的负极连接，所述第二母线电容CBUS2的正极、负极同时与负载电池U2的正负极连接。在正向能量流动时，原边线圈为交变电磁场发射线圈，副边线圈为接收线圈。在逆向能量流动时，原边线圈转换为接收线圈，副边线圈为交变电磁场发射线圈，全桥逆变电路中逆变H桥转换为整流H桥的工作模式，同理，全桥同步整流电路中整流H桥转换为逆变H桥的工作模式，由于所述系统电路拓扑的对称性，原副边谐振动态补偿网络的工作原理也发生对称转换。本专利技术还提供了一种对称的电力变换器电路拓扑结构的控制方法，具体为：检测所述对称的电力变换器电路拓扑结构的输入电压U1、全桥逆变电路的输出电压UAB、副边谐振动态补偿网络的输出电压UCD、及系统输出电压U2；检测权利要求1所述电力变换器电路拓扑结构的输入电流I1、全桥逆变电路的输出电流IAB、副边谐振动态补偿网络的输出电流ICD、及输出电流I2；根据检测的数据进行三个控制回路控制，三个控制回路分别为逆变电流控制回路、原副边谐振动态补偿网络控制回路、及输出控制回路；所述逆变电流控制回路具体为：将测量的全桥逆变输出电流与电流参考值比较，其差值经过PID算法得出全桥逆变电路的移相控制角度θAB，逆变调制器将移相控制角度转换为相应的四个PWM信号分别控制全桥逆变电路的四个开关(Qi1-4)；所述谐振动态补偿网络回路具体为：通过相位检测模块比较测量的全桥逆变电路的输出电流和输出电压的相位，得出相位差ψZ，所述相位差ψZ与设定的相位差参考值ψref比较，所得出的差值经过PID算法得出原副边谐振动态补偿网络的谐振频率ωr1ωr2，谐振调制器模块将原副边谐振频率转换为对应的PWM信号分别控制所述原边谐振动态补偿网络的第一补偿开关Si1和副边谐振动态补偿网络的第二补偿开关So1；所述输出控制回路具体为：比较测量的输出电压或输出电流或输出功率和设定的输出电压参考值或输出电流参考值或输出功率参考值，得出的差值经过PID算法计算出所述全桥逆变电路的输出电流参考值IABref，此参考值传递给逆变电流控制回路的输入端。本专利技术中原副边相关信号参数(例如输出电流、输出电压、输出功率、第二补偿开关的PWM控制信号等)传递通过无线数据传输方式实现，如蓝牙、WIFI等。本专利技术与现有技术相比，其显著效果为：1)本专利技术通过改变原副边补偿开关的PWM占空比实现连续动态调整原副边谐振补偿网络的等效阻抗，以降低系统中无功功率损耗并实现软开关，因此本专利技术能够在不同工况下实现高效率能量传输；2)本专利技术原副边谐振动态补偿网络可有效抵消器件误差带来的影响，从而使近场电能传输系统具备复杂工况下的高性能与高可靠性，降低关键器件设计制造难度及成本，进而具备实际应用价值；3)本专利技术能够实现在不同复杂工况下均可工作在某一恒定频率。4)本专利技术电路拓扑具有对称性，不需增加额外电路结构，即可实现能量的双向传输，能够规模化接入智能电网，更加合理有效地利用电网进行充放电；5)本专利技术的谐振动态补偿网络中通过补偿开关的电流为全桥逆变电路输出电流的一部分，降低了补偿开关的导通损耗；6)本专利技术谐振网络结构为串联模式，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种对称的电力变换器电路拓扑结构，其特征在于，包括输入直流电源U1、全桥逆变电路(1)、原边谐振动态补偿网络(2)、原边线圈3Li1、副边线圈3Lo1、副边谐振动态补偿网络(4)、全桥同步整流电路(5)及负载电池U2，所述全桥逆变电路(1)、原边谐振动态补偿网络(2)与副边谐振动态补偿网络(4)、全桥同步整流电路(5)的具体拓扑结构关于原边线圈3Li1、副边线圈3Lo1对称；所述输入直流电源U1、全桥逆变电路(1)、原边谐振动态补偿网络(2)依次连接，所述原边谐振动态补偿网络(2)输出端分别与原边线圈3Li1的两端连接，所述副边线圈3Lo1的两端分别与副边谐振动态补偿网络(4)的输入端连接，所述原边线圈3Li1、副边线圈3Lo1同名端相对，所述副边谐振动态补偿网络(4)的输出端与全桥同步整流电路(5)的输入端连接，全桥同步整流电路(5)的输出端与负载电池U2的两端连接。

【技术特征摘要】
1.一种对称的电力变换器电路拓扑结构，其特征在于，包括输入直流电源U1、全桥逆变电路(1)、原边谐振动态补偿网络(2)、原边线圈3Li1、副边线圈3Lo1、副边谐振动态补偿网络(4)、全桥同步整流电路(5)及负载电池U2，所述全桥逆变电路(1)、原边谐振动态补偿网络(2)与副边谐振动态补偿网络(4)、全桥同步整流电路(5)的具体拓扑结构关于原边线圈3Li1、副边线圈3Lo1对称；所述输入直流电源U1、全桥逆变电路(1)、原边谐振动态补偿网络(2)依次连接，所述原边谐振动态补偿网络(2)输出端分别与原边线圈3Li1的两端连接，所述副边线圈3Lo1的两端分别与副边谐振动态补偿网络(4)的输入端连接，所述原边线圈3Li1、副边线圈3Lo1同名端相对，所述副边谐振动态补偿网络(4)的输出端与全桥同步整流电路(5)的输入端连接，全桥同步整流电路(5)的输出端与负载电池U2的两端连接。2.根据权利要求1所述的对称的电力变换器电路拓扑结构，其特征在于，所述全桥逆变电路(1)包括第一母线电容CBUS1、四个开关管Qi1-Qi4，所述第一母线电容CBUS1的正极与输入直流电源U1的正极连接，所述第一母线电容CBUS1的负极与输入直流电源U1的负极连接，所述四个开关管Qi1-Qi4连接成逆变H桥，逆变H桥的正极与第一母线电容CBUS1的正极连接，逆变H桥的负极与第一母线电容CBUS1的负极连接。3.根据权利要求1所述的对称的电力变换器电路拓扑结构，其特征在于，所述原边谐振动态补偿网络为至少一个补偿开关S、至少两个电容组成的具有非零偏置电容值的可调电容网络，即所有补偿开关断开或关闭时均有一定电容值的组合网络。4.根据权利要求1或3任一所述的对称的电力变换器电路拓扑结构，其特征在于，所述原边谐振动态补偿网络(2)包括第一串联电容Ci1、第一补偿电容Civ1、第一补偿开关Si1，其中，所述第一串联电容Ci1一端与第一补偿开关Si1的一端、全桥逆变电路的一个输出端共同连接，所述第一补偿开关Si1的另一端与第一补偿电容Civ1的一端连接，所述第一补偿电容Civ1的另一端与第一串联电容Ci1的另一端连接作为原边谐振动态补偿网络的一个输出端，所述全桥逆变电路的另一个输出端作为原边谐振动态补偿网络的另一个输出端。5.根据权利要求3所述的对...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建科，
申请(专利权)人：李建科，
类型：发明
国别省市：江苏,32