全波输出的单管逆变器、无线电能传输系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术涉及逆变器技术领域，具体公开了一种全波输出的单管逆变器、无线电能传输系统及其控制方法，该逆变器具有电路结构简单、驱动电路简单、NMOS管数量仅有一个、谐振状态与负载无关等特点，从额定负载到短路的宽负载电阻范围内均可有效实现主开关零电压开通，系统输出电压近似正弦波，系统电流总谐波失真非常小，可广泛应用于高频逆变各个领域。该无线电能传输系统，其发射端采用上述逆变器，通过无线电能传输耦合机构耦合至接收端，其补偿网络采用串联电容补偿方式，实现系统实现稳定的恒压输出，同时有效实现功率NMOS管的零电压开通。系统电路结构简单，无功功率小，传输效率高，具有从额定负载到短路的宽负载电阻范围内的最好传输效果。的最好传输效果。的最好传输效果。

【技术实现步骤摘要】
全波输出的单管逆变器、无线电能传输系统及其控制方法


[0001]本专利技术涉及逆变器
，尤其涉及一种全波输出的单管逆变器以及一种采用该全波输出的单管逆变器的无线电能传输系统以及该无线电能传输系统的控制方法。

技术介绍

[0002]逆变器能够将输入直流电能转变为一定频率的交流电，广泛应用于无线电能传输、高频加热电源、家用电器、消费电子、电动汽车、特种机械以及医疗电子等领域，而不同应用场合对逆变器的要求同样不同。
[0003]全桥拓扑逆变器具有输出功率大，传输效率高等优点，但是其结构拥有四个NMOS管，是半桥和推挽电路的两倍，因此成本更高，存在驱动电路复杂、桥臂直通等问题。
[0004]半桥拓扑逆变器相比于全桥逆变器而言，只拥有两个NMOS管，但是NMOS管会承受较大的电压和电流，电源的利用率较低，不适宜用于工作电压较低的场合。
[0005]推挽拓扑逆变器与半桥逆变器一样只具有两个NMOS管，成本较低且驱动较为简单，但是NMOS管电压应力较高，是全桥逆变的两倍，且变压器需要有中心抽头，变压器绕组利用率较低。
[0006]单NMOS管逆变器具有结构简单，NMOS管数量少、成本低、驱动方便、易实现零电压开通等优点，但是目前的单NMOS管逆变器(如图5所示)存在系统电压电流总谐波失真(THD)较高、输入电流纹波较大、系统中无功功率较大等不足；其输出电压波形如图6(a)V
Lp1
波形图所示，其系统电压电流总谐波失真(THD)波形图如图7(a)、8(a)、9(a)、10(a)所示。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供一种全波输出的单管逆变器、无线电能传输系统及其控制方法，解决的技术问题在于：如何设计一种新的全波输出的单管逆变器，可实现零电压开通、电压电流总谐波失真(THD)较低、输入电流纹波较小、系统中无功功率较小，以及如何将该全波输出的单管逆变器应用在无线电能传输系统中。
[0008]为解决以上技术问题，本专利技术首先提供一种全波输出的单管逆变器，其关键在于：包括直流电源V
DC
、电感L
f
、电容C
f
、电感L
p
、电容C
p
、NMOS管Q、PWM信号发生器，所述电感L
f
、所述电容C
p
、所述NMOS管Q顺序串联在所述直流电源V
DC
的正极端和负极端之间，且所述NMOS管Q的S极连接所述直流电源的负极端并接地，所述电感L
p
并联在所述电容C
p
的两端，所述电容C
f
并联在所述NMOS管Q的S极和D极之间，所述NMOS管Q的G极连接所述PWM信号发生器，所述PWM信号发生器用于产生占空比为A的PWM信号。
[0009]优选的，所述电感L
f
与所述电容C
f
之间的输入谐振角频率ω
f
满足：
[0010]ω
f
＝λω0[0011]λ∈[1.3,1.5]为调节系数，ω0为所述NMOS管Q的开关角频率。
[0012]优选的，所述电感L
p
用于与接收端的电感L
s
进行磁耦合，所述电感L
f
、所述电容C
f
、所述电感L
p
、所述电容C
p
的参数满足：
[0013][0014]其中，ω＝ω0表示整个全波输出的单管逆变器的谐振角频率，R
P
表示所述电感L
p
的等效串联电阻，M表示所述电感L
p
与所述电感L
s
之间的互感，Z
s
表示所述接收端的等效阻抗。
[0015]优选的，将所述NMOS管Q的位置与所述电容C
p
的位置对调，所述电感L
p
与所述电容C
f
的位置对调。
[0016]优选的，所述NMOS管Q采用增强型NMOS管；A＝0.5。
[0017]优选的，该电路还包括负载电阻R，所述负载电阻R与所述电感L
p
串联，串联的负载电阻R与所述电感L
p
并联在所述电容C
p
的两端；
[0018]所述电感L
f
、所述电容C
f
、所述电感L
p
、所述电容C
p
的参数满足：
[0019][0020]其中，ω＝ω0表示整个全波输出的单管逆变器的谐振角频率，R
P
表示所述电感L
p
的等效串联电阻。
[0021]本专利技术还提供一种无线电能传输系统，包括发射端和接收端，其关键在于：所述发射端和所述接收端分别采用上述不带负载电阻R的全波输出的单管逆变器和接收端。
[0022]优选的，所述接收端包括顺序连接的所述电感L
s
、串联补偿电容C
s
和负载网络。
[0023]优选的，所述电容C
s
的参数满足：ω为整个系统的谐振角频率。
[0024]本专利技术还提供一种无线电能传输系统的控制方法，其关键在于：将开关角频率ω0和占空比A的PWM信号输入所述NMOS管Q的G极，使得所述全波输出的单管逆变器周期性工作并在每个开关周期中按时间先后存在以下五个工作模态：
[0025]1)t0‑
t1间的模态I：在t0时刻，PWM信号为高电平，所述NMOS管Q的漏源电压V
ds
＝0，所述NMOS管Q实现ZVS导通，所述电感L
f
的电流I
in
、所述电感L
p
的电流I
Lp
分别减小至过零；然后，I
Lp
开始正向增大，I
in
开始反向增大，所述电容C
f
等效短路，V
ds
保持为零；
[0026]2)t1‑
t2间的模态II：在t1时刻，PWM信号变为低电平，所述NMOS管Q关断，所述电感L
f
与所述电容C
f
、所述电感L
p
与所述电容C
p
分别开始谐振；然后，I
Lp
开始反向减小，I
in
开始正向减小，V
ds
开始正向增大；
[0027]3)t2‑
t3间的模态III：在t2时刻，PWM信号持续为低电平，I
Lp
、I
in
分别减小至过零，V
ds
达到最大值；然后，I
Lp
开始正向增大，I
in
开始反向增大，V
ds
开始正向减小；
[0028]4)在t3‑
t4间的模态IV：在t3时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.全波输出的单管逆变器，其特征在于：包括直流电源V
DC
、电感L
f
、电容C
f
、电感L
p
、电容C
p
、NMOS管Q、PWM信号发生器，所述电感L
f
、所述电容C
p
、所述NMOS管Q顺序串联在所述直流电源V
DC
的正极端和负极端之间，且所述NMOS管Q的S极连接所述直流电源的负极端并接地，所述电感L
p
并联在所述电容C
p
的两端，所述电容C
f
并联在所述NMOS管Q的S极和D极之间，所述NMOS管Q的G极连接所述PWM信号发生器，所述PWM信号发生器用于产生占空比为A的PWM信号。2.根据权利要求1所述的全波输出的单管逆变器，其特征在于，所述电感L
f
与所述电容C
f
之间的输入谐振角频率ω
f
满足：ω
f
＝λω0λ∈[1.3,1.5]为调节系数，ω0为所述NMOS管Q的开关角频率。3.根据权利要求2所述的全波输出的单管逆变器，其特征在于，所述电感L
p
用于与接收端的电感L
s
进行磁耦合，所述电感L
f
、所述电容C
f
、所述电感L
p
、所述电容C
p
的参数满足：其中，ω＝ω0表示整个全波输出的单管逆变器的谐振角频率，R
P
表示所述电感L
p
的等效串联电阻，M表示所述电感L
p
与所述电感L
s
之间的互感，Z
s
表示所述接收端的等效阻抗。4.根据权利要求1所述的全波输出的单管逆变器，其特征在于：将所述NMOS管Q的位置与所述电容C
p
的位置对调，所述电感L
p
与所述电容C
f
的位置对调。5.根据权利要求1所述的全波输出的单管逆变器，其特征在于：所述NMOS管Q采用增强型NMOS管；A＝0.5。6.根据权利要求1或2或4或5所述的全波输出的单管逆变器，其特征在于，该电路还包括负载电阻R，所述负载电阻R与所述电感L
p
串联，串联的负载电阻R与所述电感L
p
并联在所述电容C
p
的两端；所述电感L
f
、所述电容C
f
、所述电感L
p
、所述电容C
p
的参数满足：其中，ω＝ω0表示整个全波输出的单管逆变器的谐振角频率，R
P
表示所述电感L
p
的等效串联电阻。7.无线电能传输系统，包括发射端和接收端，其特征在于：所述发射端采用权利要求1～5任意一项所...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨奕，郭科，张馨月，张路，谢诗云，张信，曹萱，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：