一种无线电能传输系统及其前级高频电源设计方法技术方案

本发明专利技术提供一种无线电能传输系统及其前级高频电源设计方法，涉及无线电能传输技术领域。该系统包括将交流低频市电转换为高频逆变电路的输入直流电压的AC‑DC可调直流电源；作为无线电能传输系统的前级高频电源的高频逆变电路；对高频逆变电路中开关器件的通断进行调制的DSP控制电路；对DSP信号进行放大，将其转换为对开关器件进行驱动的驱动信号的驱动电路；作为高频逆变电路的负载的发射线圈以及与需用电的负载直接相连接构成负载电路回路的接收线圈；并提供了对无线电能传输系统中的前级高频电源进行设计的方法。本发明专利技术的无线电能传输系统及其前级高频电源设计方法，大大提高了无线电能传输系统的工作频率，进而提高了系统线圈间的传输距离和效率。

A Radio Power Transmission System and Design Method of Its Front High Frequency Power Supply

The invention provides a radio power transmission system and a design method of its front high frequency power supply, which relates to the technical field of radio power transmission. The system includes AC_DC adjustable DC power supply, which converts AC low-frequency power into input DC voltage of high-frequency inverters; high-frequency inverters, which are used as front-end high-frequency power supply of radio power transmission system; DSP control circuit which modulates the on-off of switching devices in high-frequency inverters; amplifying the signal of DSP and converting it into driving communication for switching devices. The drive circuit of No. 10, the radiation coil as the load of the high frequency inverter circuit and the receiving coil directly connected with the load needed to form the load circuit circuit, and the design method of the front-stage high frequency power supply in the radio power transmission system are provided. The radio energy transmission system and the design method of its front high frequency power supply greatly improve the working frequency of the radio energy transmission system, thereby improving the transmission distance and efficiency between the coils of the system.

【技术实现步骤摘要】
一种无线电能传输系统及其前级高频电源设计方法
本专利技术涉及无线电能传输
，尤其涉及一种无线电能传输系统及其前级高频电源设计方法。
技术介绍
无线电能传输，又被叫做无接触电能传输，指的是在没有直接的电气连接的情况下将电能从电源端传输到负载端的传输方式。近年来，由于传统有线输电方式存在接触线摩擦、裸露、老化等问题，无线电能传输技术的研究越来越受到人们的重视。2007年，麻省理工大学的科学家提出了磁耦合谐振式无线电能传输技术，在国内外引起广泛的关注与研究，是当前最具有发展前景的技术之一。与传统的感应式无线电能传输技术相比，磁耦合谐振式无线电能传输技术具有更远的传输距离和更高的空间自由度，实现了电能的中远距离传输。目前，对于无线电能传输系统的研究主要包括拓扑结构、补偿网络的连接方式、传输线圈的绕制方式、线圈间距离、系统阻抗匹配等方面。当前，无线电能传输技术的理论研究已经比较完备且具备了一定的实验条件。但还存在电磁干扰、传输距离、造价昂贵等很多问题。同时，大多数对于无线电能传输系统的研究，只是对线圈以及其补偿网络进行分析与设计，研究其传输机理和传输效率，缺少对其所需要的电力电子装置的分析与讨论。对于磁耦合谐振式无线电能传输来说，其传输频率一般为几百KHz到几十MHz，因此系统的前级高频电源设计至关重要，其在高频下的工作性能，直接影响到整个系统的传输性能。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种无线电能传输系统及其前级高频电源设计方法，对系统发射端的高频电源进行优化设计，实现了无线电能传输系统整体传输性能的提高。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一方面，本专利技术提供一种无线电能传输系统，以磁耦合谐振的方式实现电能的无线传输，包括：AC-DC可调直流电源、高频电源装置、发射线圈及接收线圈；所述高频电源装置包括高频逆变电路、驱动电路和DSP控制电路；所述AC-DC可调直流电源将交流低频市电转换为所需的直流电，用作高频逆变电路的输入直流电压；所述高频逆变电路采用全桥式结构，将AC-DC可调直流电源输入的直流电压信号转换为高频交流电压信号，作为磁耦合谐振式无线电能传输系统的前级高频电源；所述DSP控制电路通过产生一组互补对称的PWM脉冲对高频逆变电路中开关器件的通断进行调制；所述驱动电路对DSP信号进行放大，将其转换为对开关器件进行驱动的驱动信号，驱动电路在对DSP信号进行放大的同时，也对高频逆变电路与DSP控制电路进行了电气隔离和故障保护，避免主电路与控制电路直接相连，增加了逆变电路的抗干扰能力，提高了逆变电路工作的稳定性；所述发射线圈作为高频逆变电路的负载与其输出端直接相连；所述接收线圈与需用电的负载直接相连接构成负载电路回路；所述发射线圈与接收线圈同轴放置，完全对称，且均包括电感线圈和串联补偿电容；所述发射线圈将高频逆变电路产生的高频交流电能通过磁耦合谐振的方式传输到接收线圈，供给负载使用，实现了电能的无线传输。优选地，所述高频逆变电路中的开关器件采用SiCMOSFET。优选地，所述驱动电路采用MOSFET驱动电路结构，并在MOSFET驱动电路结构的基础上增加DC-DC转换器，使DC-DC转换器的输入端与外加的+12V直流电源相连，DC-DC转换器将+12V电压转换为+15V电压与-3V电压输出；输出的+15V电压作为驱动电路中驱动芯片的电源使用，通过此方式为驱动芯片供电，减少了电路中的杂散电容。另一方面，本专利技术还提供一种无线电能传输系统的前级高频电源装置的设计方法，其特征在于：具体方法为：(1)、在高频逆变电路的输入端增加串联的电容Cin和电感Lin组成滤波电路，该滤波电路充分吸收寄生参数产生的高频振荡电流及电压，防止高频振荡电流反馈回流到直流输入端；(2)、通过对高频逆变电路的PCB设计来减弱电路中开关器件间寄生参数的影响；所述PCB电路将输入电容Cin、开关器件和输出端子放置在PCB板的顶层，功率回路平行于PCB板平面，形成横向功率环；输入电容Cin放置于开关器件的漏极和源极中间以使振荡回路的走线长度达到最小，减弱高频振荡对功率回路的影响；PCB板各器件之间走线长度尽可能短，走线宽度尽可能宽，以减弱高频下集肤效应对导线电阻的影响，同时也减小了振荡回路的面积，削弱了寄生参数产生的振荡对功率回路的影响；此外，将PCB板的内电层作为整个电路板的屏蔽层，该层对于保护电路免受功率回路产生的强磁场的影响具有至关重要的作用；(3)、通过DSP控制电路产生一组互补对称的PWM脉冲，对高频逆变电路中开关器件的通断进行调制，降低开关损耗，减弱寄生参数对于电路的影响。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本专利技术提供的一种无线电能传输系统及其前级高频电源设计方法，着重于系统所需的电力电子装置的设计，对发射端高频电源进行优化设计，大大提高了无线电能传输系统的工作频率，进而提高了系统线圈间的传输距离、效率，同时，高频供电可以使传输线圈尺寸更小，实现了无线电能传输装置的轻便性，有效地提高了无线电能传输系统的整体传输性能。附图说明图1为本专利技术实施例提供的一种无线电能传输系统的拓扑结构图；图2为本专利技术实施例提供的一种无线电能传输系统的结构框图；图3为本专利技术实施例提供的高频逆变电路的拓扑结构图；图4为本专利技术实施例提供的高频逆变电路及其驱动电路的PCB设计图；图5为本专利技术实施例提供的MOSFET工作过程示意图；图6为本专利技术实施例提供的驱动电路的拓扑结构图。图中：1、交流低频市电；2、高频逆变电路；3、发射线圈；4、接收线圈；5、负载。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。一种无线电能传输系统，以磁耦合谐振的方式实现电能的无线传输，如图1和图2所示，整体系统包括：AC-DC可调直流电源、高频电源装置、发射线圈3及接收线圈4；所述高频电源装置包括高频逆变电路2、驱动电路和DSP控制电路；所述AC-DC可调直流电源将交流低频市电1转换为所需的直流电，用作高频逆变电路2的输入直流电压；所述高频逆变电路2采用全桥式结构，将AC-DC可调直流电源输入的直流电压信号转换为高频交流电压信号，作为磁耦合谐振式无线电能传输系统的前级高频电源；所述DSP控制电路产生一组互补对称的PWM脉冲，对高频逆变电路2中开关器件的通断进行调制；所述驱动电路对DSP信号进行放大，将其转换为对开关器件进行驱动的驱动信号，驱动电路在对DSP信号进行放大的同时，也对高频逆变电路2与DSP控制电路进行了电气隔离和故障保护，避免主电路与控制电路直接相连，增加了逆变电路的抗干扰能力，提高了逆变电路工作的稳定性；所述发射线圈3作为高频逆变电路2的负载与其输出端直接相连；所述接收线圈4与需用电的负载5直接相连接构成负载电路回路；所述发射线圈3与接收线圈4同轴放置，完全对称，且均包括电感线圈和串联补偿电容；所述发射线圈3将高频逆变电路2产生的高频交流电能通过磁耦合谐振的方式传输到接收端，供给负载5使用，实现了电能的无线传输。所述高频逆变电路2采用全桥式结构，将AC-DC可调直流电源提供的直流电压转换为高频交流电压作为系统的前级高频交流电源。高频逆变电路2的开本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无线电能传输系统，以磁耦合谐振的方式实现电能的无线传输，其特征在于：包括：AC‑DC可调直流电源、高频电源装置、发射线圈及接收线圈；所述高频电源装置包括高频逆变电路、驱动电路和DSP控制电路；所述AC‑DC可调直流电源将交流低频市电转换为所需的直流电，用作高频逆变电路的输入直流电压；所述高频逆变电路采用全桥式结构，将AC‑DC可调直流电源输入的直流电压信号转换为高频交流电压信号，作为磁耦合谐振式无线电能传输系统的前级高频电源；所述DSP控制电路通过产生一组互补对称的PWM脉冲对高频逆变电路中开关器件的通断进行调制；所述驱动电路对DSP信号进行放大，将其转换为对开关器件进行驱动的驱动信号，驱动电路在对DSP信号进行放大的同时，也对高频逆变电路与DSP控制电路进行了电气隔离和故障保护，避免主电路与控制电路直接相连，增加了逆变电路的抗干扰能力，提高了逆变电路工作的稳定性；所述发射线圈作为高频逆变电路的负载与其输出端直接相连；所述接收线圈与需用电的负载直接相连接构成负载电路回路；所述发射线圈与接收线圈同轴放置，完全对称，且均包括电感线圈和串联补偿电容；所述发射线圈将高频逆变电路产生的高频交流电能通过磁耦合谐振的方式传输到接收线圈，供给负载使用，实现了电能的无线传输。...

【技术特征摘要】
1.一种无线电能传输系统，以磁耦合谐振的方式实现电能的无线传输，其特征在于：包括：AC-DC可调直流电源、高频电源装置、发射线圈及接收线圈；所述高频电源装置包括高频逆变电路、驱动电路和DSP控制电路；所述AC-DC可调直流电源将交流低频市电转换为所需的直流电，用作高频逆变电路的输入直流电压；所述高频逆变电路采用全桥式结构，将AC-DC可调直流电源输入的直流电压信号转换为高频交流电压信号，作为磁耦合谐振式无线电能传输系统的前级高频电源；所述DSP控制电路通过产生一组互补对称的PWM脉冲对高频逆变电路中开关器件的通断进行调制；所述驱动电路对DSP信号进行放大，将其转换为对开关器件进行驱动的驱动信号，驱动电路在对DSP信号进行放大的同时，也对高频逆变电路与DSP控制电路进行了电气隔离和故障保护，避免主电路与控制电路直接相连，增加了逆变电路的抗干扰能力，提高了逆变电路工作的稳定性；所述发射线圈作为高频逆变电路的负载与其输出端直接相连；所述接收线圈与需用电的负载直接相连接构成负载电路回路；所述发射线圈与接收线圈同轴放置，完全对称，且均包括电感线圈和串联补偿电容；所述发射线圈将高频逆变电路产生的高频交流电能通过磁耦合谐振的方式传输到接收线圈，供给负载使用，实现了电能的无线传输。2.根据权利要求1所述的一种无线电能传输系统，其特征在于：所述高频逆变电路中的开关器件采用SiCMOSFET。3.根据权利要求2所述的一种无线电能传输系统，其特征在于：所述驱动电路采用MOSF...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨东升，程子鑫，张化光，李华，周博文，刘鑫蕊，杨珺，刘金海，马大中，元席希，田江为，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21