谐振跟踪式非接触多路供电装置及供电方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种谐振跟踪式非接触多路供电装置及供电方法，开关电源电路输出端连接至MOS半桥电路组，MOS半桥电路组由多个开关可控的MOS半桥逆变电路并联构成；每组MOS半桥逆变电路连接一条电能发射回路，每条电能发射回路分别由谐振电容、电能发射线圈串联形成谐振回路，所有电能发射回路耦合同一个电能接收线圈；供电装置还包括频率调谐回路、电压调节电路和功率容量调节电路，分别进行激励频率自动调节、激励电压自动调节、功率容量控制调节。本发明专利技术供电装置在耦合参数发生改变时能够自动地跟踪最佳谐振频率点，根据负载变化需求自动调节激励电压，克服单组逆变功率限制，根据功率需求调节并行回路数，提高传输效率，降低能耗。

Resonant tracking type contactless multi-channel power supply device and power supply method

【技术实现步骤摘要】
谐振跟踪式非接触多路供电装置及供电方法
本专利技术属于电源/电力电子
，涉及一种谐振跟踪式非接触多路供电装置及供电方法。
技术介绍
非接触式供电作为一种新型的能量传输形式，具有无触点、无磨损、无火花、可全密封、防水隔爆等特性，正在逐步地应用于旋转部件、机器关节、防水设备、厨房/浴室电器、移动/便携设备和矿下设备等领域。现有的非接触式供电一般利用磁性材料与线圈构成松耦合变压器作为能量传输通道,将激励电压施加在初级线圈，在空间激励出交变磁场，将磁场作为能量载体跨越空气间隙后从次级线圈耦合感应出电能给设备供电。现有的提供激励的方式主要有以下两类：直接激励方式：将激励电压直接加在初级线圈上，由于松耦合变压器的耦合系数较低，只有部分磁力线耦合至次级，因此采用直接激励进行传输效率较低，且电能传输距离很近，应用范围较窄，仅用于低成本、小功率供电的场合，如电动牙刷等消费类产品。LC谐振激励方式：将初级线圈与电容构成谐振回路，按照谐振回路的连接关系又分为串联谐振和并联谐振两种类型，这两种类型的谐振方式均是将激励源施加在谐振回路上，当激励源频率等于LC回路的固有谐振频率时，发射线圈上将因谐振获得高于激励源电压多倍的电压，同时未发射的能量会被电容回收，大幅提高了传输效率和传输距离。因此该方法主要应用于需要大功率、高效率的应用中，如机械旋转关节、大功率防水设备的供电、高效率无线充电器。随着非接触式供电技术的普及，对非接触式供电的功率和效率要求也越来越高，目前，非接触式供电技术在应用环境中还有几个问题：<br>1.非接触式供电功率传输中，需要使用逆变电路，而逆变功率受到元器件的限制，单组逆变功率较低。在大功率传输中，需要多路逆变并行才能满足传输功率需求。同时每组运行的MOS半桥电路，都会产生固定的元器件损耗，在传输功率较小时，多路逆变会产生极大损耗。2.在实际中，系统的耦合系数会随着发射线圈与接收线圈之间距离及相对位置变化而改变。折合到发射线圈的等效电感、Q值等参数都会变化，引起LC谐振频率的变化。因此收发线圈的距离需要相对固定，限制了应用范围。由于耦合通道的耦合系数较低，当接收端负载大范围变化时，会引起接收端电压大范围变化。要求接收端负载相对恒定，同时增加了后级电源电路的设计难度和成本。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供一种谐振跟踪式非接触多路供电装置，在耦合参数发生改变时能够自动地跟踪最佳谐振频率点，根据负载变化需求自动调节激励电压，克服单组逆变功率限制，根据功率需求调节并行回路数，保证在耦合系数较低、线圈位置变化和负载特性变化情况下能够以最佳传输效率大功率传输电能，降低能耗。本专利技术的另一目的是，提供一种谐振跟踪式非接触多路供电方法。本专利技术所采用的技术方案是，一种谐振跟踪式非接触多路供电装置，开关电源电路输出端连接至MOS半桥电路组，构成大功率激励源，其中MOS半桥电路组由多个开关可控的MOS半桥逆变电路并联构成；每组MOS半桥逆变电路连接一条电能发射回路，每条电能发射回路分别由谐振电容、电能发射线圈串联形成谐振回路，所有电能发射回路通过耦合结构进行非接触能量传输；电压采样器对电能发射回路的电压进行取样；所述供电装置还包括频率调谐回路、电压调节电路和功率容量调节电路；所述电压调节电路包括比较放大器，电压调节电路输入端的一路为电压采样信号，电压采样器输出的电压采样信号通过高频检波滤波电路接比较放大器；另一路为参考电压信号，参考电压源输入参考电压信号至比较放大器，比较放大器的输出端接开关电源电路，控制电压幅度，构成激励电压自动调节环路；所述功率容量调节电路包括除法电路、半桥开关控制电路，功率容量调节电路的输入端有两路，一路通过参考功率源输入参考功率信号至除法电路；另一路为电压采样器输出的电压采样信号，通过高频检波滤波电路接除法电路，除法电路的输出端依次接半桥开关控制电路、浮栅驱动器，其中半桥开关控制电路由多组触发电压不同的开关电路构成，每个开关电路输出控制一组MOS半桥逆变电路，控制同时运行的MOS半桥逆变电路并行数量，构成功率容量控制调节环路。进一步的，所述频率调谐回路包括过零检测器、鉴相器、压控震荡器，电流采样器对电能发射回路的电流进行取样，电流采样器的输出端依次连接过零检测器、鉴相器、压控震荡器后输出至浮栅驱动器；电能发射回路的激励电压信号通过鉴相器输出至浮栅驱动器，浮栅驱动器控制MOS半桥电路组中MOS管通断频率，构成激励频率自动调节环路。进一步的，所述耦合结构由电能发射线圈、发射端磁芯、电能接收线圈、接收端磁芯构成，电能发射线圈以相同的匝数同向绕在发射端磁芯上，构成一组电感值大小相同的发射线圈；电能接收线圈绕在接收端磁芯上，与发射端形成耦合，发射端磁芯和接收端磁芯结构相同、位置相对。进一步的，所述电能发射回路由电能发射线圈和谐振电容构成，所有谐振电容的电容大小相同。进一步的，所述电能接收线圈通过整流及稳压电路与负载相连。进一步的，所述电压调节电路包括单片机、电压采样器、高频检波滤波电路和浮栅驱动器；单片机控制浮栅驱动器与MOS半桥逆变电路的连接进而控制MOS半桥逆变电路并行数量，同时单片机控制浮栅驱动器交替驱动开关管导通，产生大功率激励方波电压；电压采样器获取电能发射回路中的电压取样信号通过高频检波滤波电路输入单片机的A/D转换器，由微处理器通过幅度测量模块测量谐振回路中的电压幅度，并与电压设定值进行比较，求出电压设定值与实际电压的误差，再根据幅度误差由调整量计算模块计算激励电压调整量，再由激励电压调节模块根据激励电压调整量改变开关电源电路的输出电压，实现激励电压的自动调节；功率容量调节电路包括电压采样器、高频检波滤波电路、半桥开关控制模块；半桥开关控制模块是单片机的子模块，半桥开关控制模块由除法电路构成，电压采样器输出的电压采样信号通过高频检波滤波电路输入除法电路，功率参考输入除法电路，除法电路的微处理器根据实时电压与预设功率标准计算应有的电流，除法电路的输出接电平触发的开关电路组，每个开关电路输出通过浮栅驱动器控制一组MOS半桥逆变电路，控制同时运行的MOS半桥逆变电路并行数量，构成功率容量控制调节环路。进一步的，所述频率调谐回路包括单片机、电流采样器、过零检测电路，电流采样器获取电能发射回路中的电流取样信号通过过零检测电路输入单片机的中断引脚，由微处理器通过相位差测量模块测量谐振回路中电压与电流相位差，再根据相位差由调整量计算模块计算频率调整量，再由可变频率方波发生模块根据频率调整量改变激励频率，使谐振回路中电压与电流相位差保持为零，实现激励频率自动调节。进一步的，所述单片机分别与按键和显示器连接，通过按键和显示器对电压参考值、传输功率进行设定。一种谐振跟踪式非接触多路供电方法，具体按照以下步骤进行：S1，利用同步降压模式的开关电源电路，产生幅度可调电压源，施加于MOS半桥电路组的电源端，MOS半桥电路组由多个开关可控的MOS半桥逆变电路并联构成，通过功率容量调节电路控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种谐振跟踪式非接触多路供电装置，其特征在于，开关电源电路（102）输出端连接至MOS半桥电路组（103），构成大功率激励源，其中MOS半桥电路组（103）由多个开关可控的MOS半桥逆变电路并联构成；每组MOS半桥逆变电路连接一条电能发射回路（104），每条电能发射回路（104）分别由谐振电容、电能发射线圈（401）串联形成谐振回路，所有电能发射回路（104）通过耦合结构进行非接触能量传输；电压采样器（110）对电能发射回路（104）的电压进行取样；所述供电装置还包括频率调谐回路（109）、电压调节电路（112）和功率容量调节电路（113）；/n所述电压调节电路（112）包括比较放大器，电压调节电路（112）输入端的一路为电压采样信号，电压采样器（110）输出的电压采样信号通过高频检波滤波电路（111）接比较放大器；另一路为参考电压信号，参考电压源（116）输入参考电压信号至比较放大器，比较放大器的输出端接开关电源电路（102），控制电压幅度，构成激励电压自动调节环路；/n所述功率容量调节电路（113）包括除法电路、半桥开关控制电路，功率容量调节电路（113）的输入端有两路，一路通过参考功率源（114）输入参考功率信号至除法电路；另一路为电压采样器（110）输出的电压采样信号，通过高频检波滤波电路（111）接除法电路，除法电路的输出端依次接半桥开关控制电路、浮栅驱动器（115），其中半桥开关控制电路由多组触发电压不同的开关电路构成，每个开关电路输出控制一组MOS半桥逆变电路，控制同时运行的MOS半桥逆变电路并行数量，构成功率容量控制调节环路。/n...

【技术特征摘要】
1.一种谐振跟踪式非接触多路供电装置，其特征在于，开关电源电路（102）输出端连接至MOS半桥电路组（103），构成大功率激励源，其中MOS半桥电路组（103）由多个开关可控的MOS半桥逆变电路并联构成；每组MOS半桥逆变电路连接一条电能发射回路（104），每条电能发射回路（104）分别由谐振电容、电能发射线圈（401）串联形成谐振回路，所有电能发射回路（104）通过耦合结构进行非接触能量传输；电压采样器（110）对电能发射回路（104）的电压进行取样；所述供电装置还包括频率调谐回路（109）、电压调节电路（112）和功率容量调节电路（113）；
所述电压调节电路（112）包括比较放大器，电压调节电路（112）输入端的一路为电压采样信号，电压采样器（110）输出的电压采样信号通过高频检波滤波电路（111）接比较放大器；另一路为参考电压信号，参考电压源（116）输入参考电压信号至比较放大器，比较放大器的输出端接开关电源电路（102），控制电压幅度，构成激励电压自动调节环路；
所述功率容量调节电路（113）包括除法电路、半桥开关控制电路，功率容量调节电路（113）的输入端有两路，一路通过参考功率源（114）输入参考功率信号至除法电路；另一路为电压采样器（110）输出的电压采样信号，通过高频检波滤波电路（111）接除法电路，除法电路的输出端依次接半桥开关控制电路、浮栅驱动器（115），其中半桥开关控制电路由多组触发电压不同的开关电路构成，每个开关电路输出控制一组MOS半桥逆变电路，控制同时运行的MOS半桥逆变电路并行数量，构成功率容量控制调节环路。


2.根据权利要求1所述的一种谐振跟踪式非接触多路供电装置，其特征在于，所述频率调谐回路（109）包括过零检测器、鉴相器、压控震荡器，电流采样器（108）对电能发射回路（104）的电流进行取样，电流采样器（108）的输出端依次连接过零检测器、鉴相器、压控震荡器后输出至浮栅驱动器（115）；电能发射回路（104）的激励电压信号通过鉴相器输出至浮栅驱动器（115），浮栅驱动器（115）控制MOS半桥电路组（103）中MOS管通断频率，构成激励频率自动调节环路。


3.根据权利要求1或2所述的一种谐振跟踪式非接触多路供电装置，其特征在于，所述耦合结构由电能发射线圈（401）、发射端磁芯（402）、电能接收线圈（105）、接收端磁芯（404）构成，电能发射线圈（401）以相同的匝数同向绕在发射端磁芯上（402），构成一组电感值大小相同的发射线圈；电能接收线圈（105）绕在接收端磁芯（404）上，与发射端形成耦合，发射端磁芯（402）和接收端磁芯（404）结构相同、位置相对。


4.根据权利要求1所述的一种谐振跟踪式非接触多路供电装置，其特征在于，所述电能发射回路（104）由电能发射线圈（401）和谐振电容构成，所有谐振电容的电容大小相同。


5.根据权利要求1所述的一种谐振跟踪式非接触多路供电装置，其特征在于，所述电能接收线圈（105）通过整流及稳压电路（106）与负载（107）相连。


6.根据权利要求1所述的一种谐振跟踪式非接触多路供电装置，其特征在于，所述电压调节电路（112）包括单片机（210）、电压采样器（110）、高频检波滤波电路（111）和浮栅驱动器（115）；单片机（210）控制浮栅驱动器（115）与MOS半桥逆变电路的连接进而控制MOS半桥逆变电路并行数量，同时单片机（210）控制浮栅驱动器（115）交替驱动开关管导通，产生大功率激励方波电压；电压采样器（110）获取电能发射回路（104）中的电压取样信号通过高频检波滤波电路（111）输入单片机（210）的A/D转换器，由微处理器通过幅度测量模块测量谐振回路中的电压幅度，并与电压设定值进行比较，求出电压设定值与实际电压的误差，再根据幅度误差由调整量计算模块计算激励电压调整量，再由激励电压调节模块根据激励电压调整量改变开关...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘彦明，李小平，邢自康，韩高，李谦，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61