无线电能传输及相关系统谐振频率的动态检测及补偿技术技术方案

一种可以使开关模式DC‑AC变换器驱动下的振荡系统始终工作于“方波驱动，软开关以及谐振”状态下，从而可以极大地提高系统的效率以及能量传输能力的控制方法。该方法主要包括四项技术：(1)通过比较系统门驱动信号与系统主振荡电压或电流过零点信号的相位差，来动态实时监测系统自身固有谐振频率的技术；(2)一种实现一种压控软开关可变电容的技术；(3)一种避免变频系统频率分叉问题的技术；(4)一种用一个电压来动态实时调整单稳触发器输出脉冲宽度的技术。

【技术实现步骤摘要】
无线电能传输及相关系统谐振频率的动态检测及补偿技术本案为母案(申请号：201780018616.3，国际申请日：2017-04-06，优先权日：2016-04-06，国际公布号：WO2017/173998，国际公布日：2017-10-12，专利技术名称：无线电能传输及相关系统谐振频率的动态检测及补偿技术)的分案申请。鉴于最早母案申请中权利要求部分的书写不符合规范，此次分案申请将原母案申请中书写不规范的十项权利要求，改为此次分案申请的五项权利要求。
该专利技术主要涉及开关模式DC-AC变换器驱动下的振荡系统，比如说无线电能传输系统，开关电源等等，自身固有谐振频率的动态实时检测及补偿技术。利用这些技术，可以使这些系统始终工作于方波驱动，软开关及谐振状态，从而可以使这些系统的效率以及能量传输能力最优化，并且可以通过调谐作用对系统的输出电压及功率进行调整和稳定。
技术介绍
从某种角度来说，一个无线电能传输系统就是一个振荡系统，能量通过振荡来传输，没有振荡就没有传输。要想把能量传好，首先就要振好，而要想振好，首先就要知道系统自身所固有的谐振频率，以便使系统的驱动频率与系统自身所固有的谐振频率一致，实现软开关以及谐振来使系统的效率及能量传输能力最大化。然而，一个无线电能传输系统的固有谐振频率不是固定不变，而是随着系统的许多参数，比如说原副边的耦合系数，负载以及其它各种电路参数的变化而变化的。实际上，频率是一个无线电能传输最为重要最为活跃的参数，它对系统几乎每一个重要的方面都有影响，比如说系统的谐振，软开关，能量传输能力，效率等等。控制了系统的频率，就控制了系统每一个重要的方面。所以，动态实时检测可能是不断变化的系统自身固有谐振频率的方法，非常重要。此外，无线电能传输系统通常是由开关模式DC-AC变换器驱动的。从某种角度来说，一个无线电能传输系统，就是一个开关模式DC-AC变换器驱动下的振荡系统。对于开关模式的DC-AC变换器来说，方波驱动以及软开关对于提高变换器的效率非常重要。尤其是在高频以及大功率的情况下，能否做到软开关甚至会关系到系统能否正常工作，因为硬开关所导致的高功耗及高噪声有可能会使开关不能正常工作从而导致整个系统的失效。总之，对于一个无线电能传输系统(或开关模式DC-AC变换器驱动下的振荡系统)来说，通过使系统的驱动频率与系统自身所固有的谐振频率保持一致，同时实现方波驱动，软开关以及谐振，对于提高系统的效率以及能量传输能力非常重要。本专利技术提出了一系列动态实时检测及补偿系统自身固有谐振频率的技术，来确保系统始终同时工作于上述三个条件之下，以提高系统的效率及能量传输能力。在具体实施方式部分，对这些技术及其应用分以下三部分进行了详细的解释：1)系统谐振频率的动态检测方法2)系统谐振频率的补偿技术3)多原边大功率无线电能传输系统
技术实现思路
本专利技术提出了一系列可以确保开关模式DC-AC变换器驱动下的振荡系统始终工作于方波驱动，软开关及谐振状态下的技术，对提高系统的效率及能量传输能力至关重要。到目前为止，尚未发现现有技术可以同时做到以上三点。本系列技术中最重要的一个就是动态实时检测系统自身所固有的谐振频率，始终使系统的驱动频率与系统自身所固有的谐振频率保持一致，使开关模式的DC-AC变换器始终工作于方波驱动和软开关状态下的技术。第二个就是压控软开关可变电容(VCSC)技术。该压控软开关可变电容既可以用在系统的原边来补偿系统自身所固有的谐振频率，也可以用在系统的副边，通过其调谐作用来调整稳定系统的输出电压或功率。另外还有两个支持上述两个技术正常工作或工作得更好的技术。一个是避免频率分叉的技术，一个是用一个电压来控制单稳触发器输出脉冲宽度的技术。有了上述这些技术，既可以构成定频，也可以构成变频工作的开关模式DC-AC变换器驱动下的振荡系统，而且都可以使系统工作于方波驱动，软开关及谐振状态下，以确保系统效率及能量传输能力的最大化。另外，这些技术使得用模块化的多原边变换器来共同驱动无线电能传输系统的同一个二次侧电路的策略，成为可能。最后，上述这些技术的应用不仅仅限于无线电能传输系统，而是可以用于任何包含开关模式DC-AC变换器的电力电子系统，比如说开关电源，DC-DC变换器，高压直流输电(HVDC)等等。附图说明作为整个说明书一部分的附图，对本专利技术的实施例进行了图示说明，与文字部分的说明一起，用来对本专利技术的基本原则进行解释。图1.表示使用鉴相器1来检测系统自身固有谐振频率的一般电路原理图。图2.表示使用鉴相器2来检测系统自身固有谐振频率的一般电路原理图。图3.表示压控软开关可变电容(VCSC)的一般电路结构。图4.表示压控软开关可变电容(VCSC)关键信号的仿真曲线。图5.表示一种为压控软开关可变电容(VCSC)产生控制信号的方法的电路原理图。图6.表示使用压控软开关可变电容(VCSC)以及控制器1或2来构成一个定频谐振系统的一般电路原理图。图7.表示把VCSC用于一个无线电能传输系统的二次侧通过并联调谐来稳定系统输出电压的电路原理图。图8.表示把VCSC用于一个无线电能传输系统的二次侧通过串联调谐来稳定系统输出电压的电路原理图。图9.表示利用模块化的多原边电路共同驱动二次侧电路来实现大功率传输的策略的一般电路原理图。具体实施方式该部分包括以下三部分内容：1)系统谐振频率的动态检测方法2)系统谐振频率的补偿技术3)多原边大功率无线电能传输系统1.系统谐振频率的动态检测方法1.1引言本专利通过利用锁相环技术，对无线电能传输及相关系统的门驱动信号9及所检测到的系统主振荡(共振槽中的电压或电流)的过零点信号4(电压过零点或电流过零点)的相位进行比较，来检测系统的驱动频率与谐振频率之差，从而最终确定系统的谐振频率。需要强调的是，鉴相器所比较的不是其两个输入信号的频率，而是其两个输入信号的相位。这是因为所检测到的系统主振荡的频率与系统的驱动频率实际上总是相等，对这两个频率进行比较毫无意义。然而，对于一个无线电能传输系统来说，只要系统的驱动频率与系统自身所固有的谐振频率不相等，在系统的门驱动信号与所检测到的系统主振荡的电压或电流过零点信号之间就会存在一个相位差，从而系统就不会工作于软开关状态。所以，通过比较系统的门驱动信号与系统主振荡的电压或电流过零点信号之间的相位差，就可以发现系统驱动频率与系统自身所固有的谐振频率之间的差别。换句话说，系统门驱动信号与系统主振荡电压或电流过零点信号之间的相位差反映了系统驱动频率与系统自身所固有的谐振频率之间的差别。所以，通过检测系统门驱动信号与系统主振荡电压或电流过零点信号之间的相位差，并通过改变系统的驱动频率或通过对系统自身所固有的谐振频率进行补偿使这个相位差为零(从而开关模式DC-AC变换器就工作于软开关状态)，就可以使系统的驱动频率与系统自身所固有的谐振频率相等，从而就可以最终实现系统“方波驱动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种开关模式DC-AC变换器驱动下的振荡系统，包括：/n一个主电路和一个控制电路；/n其中：/n该主电路包括一个开关模式DC-AC变换器，一个共振槽，一个压控振荡器以及一个电压或电流过零点检测模块；/n该压控振荡器产生一个方波信号，该方波信号作为该开关模式DC-AC变换器的一个门驱动信号；/n该门驱动信号的频率是系统的一个驱动频率；/n该系统驱动频率等于由该控制电路所确定的该系统的一个固有谐振频率；/n该电压或电流过零点检测模块监测该共振槽中电压或电流的过零点，并输出一个代表所监测到的电压或电流过零点的方波信号，该方波信号输入该控制电路；/n该控制电路包括一个相位比较器1和一个低通滤波器1；/n该相位比较器1有两个输入信号：一个来自该电压或电流过零点检测模块，一个是该开关模式DC-AC变换器的门驱动信号；/n该相位比较器1的输出信号输入该低通滤波器1；/n该低通滤波器1的输出信号输入该压控振荡器，控制该压控振荡器的输出频率；/n该相位比较器1的特征是：在锁定状态下，其两个输入信号的相位差为零，表明当其两个输入信号的相位差不为零或频率不相等时，该低通滤波器1的输出电压从而该压控振荡器的输出频率就会在该相位比较器1输出信号的控制下不断变化，直到该相位比较器1两个输入信号的相位差变为零为止；/n这样，只要系统的驱动频率与系统的固有谐振频率不相等，从而导致该相位比较器1两个输入信号的相位差不为零，该低通滤波器1的输出电压从而该压控振荡器的输出频率就会不断变化，改变系统的驱动频率，直到系统的驱动频率变为与系统的固有谐振频率相等，从而该相位比较器1两个输入信号的相位差变为零，系统恢复谐振和软开关状态为止。/n...

【技术特征摘要】
20160406 NZ 7187491.一种开关模式DC-AC变换器驱动下的振荡系统，包括：
一个主电路和一个控制电路；
其中：
该主电路包括一个开关模式DC-AC变换器，一个共振槽，一个压控振荡器以及一个电压或电流过零点检测模块；
该压控振荡器产生一个方波信号，该方波信号作为该开关模式DC-AC变换器的一个门驱动信号；
该门驱动信号的频率是系统的一个驱动频率；
该系统驱动频率等于由该控制电路所确定的该系统的一个固有谐振频率；
该电压或电流过零点检测模块监测该共振槽中电压或电流的过零点，并输出一个代表所监测到的电压或电流过零点的方波信号，该方波信号输入该控制电路；
该控制电路包括一个相位比较器1和一个低通滤波器1；
该相位比较器1有两个输入信号：一个来自该电压或电流过零点检测模块，一个是该开关模式DC-AC变换器的门驱动信号；
该相位比较器1的输出信号输入该低通滤波器1；
该低通滤波器1的输出信号输入该压控振荡器，控制该压控振荡器的输出频率；
该相位比较器1的特征是：在锁定状态下，其两个输入信号的相位差为零，表明当其两个输入信号的相位差不为零或频率不相等时，该低通滤波器1的输出电压从而该压控振荡器的输出频率就会在该相位比较器1输出信号的控制下不断变化，直到该相位比较器1两个输入信号的相位差变为零为止；
这样，只要系统的驱动频率与系统的固有谐振频率不相等，从而导致该相位比较器1两个输入信号的相位差不为零，该低通滤波器1的输出电压从而该压控振荡器的输出频率就会不断变化，改变系统的驱动频率，直到系统的驱动频率变为与系统的固有谐振频率相等，从而该相位比较器1两个输入信号的相位差变为零，系统恢复谐振和软开关状态为止。


2.权利要求1中的一种开关模式DC-AC变换器驱动下的振荡系统，其中的控制电路的另一种实现方法，包括：
一个相位比较器2，一个低通滤波器2和一个比例积分控制器；
其中：
该相位比较器2有两个输入信号：一个来自该电压或电流过零点检测模块，一个是该开关模式DC-AC变换器的门驱动信号；
该相位比较器2的一个输出信号输入该低通滤波器2；
该低通滤波器2的一个输出信号输入该比例积分控制器，与该比例积分控制器的一个参考电压相比较；
该比例积分控制器的一个输出信号输入该压控振荡器，控制该压控振荡器的输出频率；
该相位比较器2的...

【专利技术属性】
技术研发人员：田建龙，
申请(专利权)人：田建龙，
类型：发明
国别省市：河北;13