具有低无功特性和零电压开通特性的可控整流器制造技术

一种具有低无功特性和零电压开通特性的可控整流器，属于谐振变换器的交流

【技术实现步骤摘要】
具有低无功特性和零电压开通特性的可控整流器


[0001]本专利技术涉及具有低无功特性和零电压开通特性的可控整流器，属于谐振变换器的交流
‑
直流变换


技术介绍

[0002]在电力电子领域，桥式整流电路的输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，因此被广泛应用。此外，在电磁感应式无线电能传输技术(IPT)中，整流电路也是不可或缺的部分，可以将松耦合变压器的副边接收到的交流电转化为直流电。
[0003]无线电能传输系统的输出电压/电流会受到诸多因素的影响，输入电压、耦合系统、环境温度和负载电阻等，为了获得恒定的电压/电流输出，需要对系统进行控制，其中，直接在副边进行控制可以提高控制精度和相应速度，通常在IPT系统的整流器后加入DC/DC变换器，但是增加一级变换器不仅会降低系统的效率还会降低系统的功率密度，采用副边可控整流器可以解决这一问题，同时实现整流和电压/电流调节的目的。
[0004]以往的可控整流通常采用两种控制方法，一种是近似零相角的调压控制方法，改变整流器占空比同时维持输入电压和电流基本同相位，这一模式整流器引起无功功率较少，但是整流器的可控开关管无法实现零电压开通(ZVS),引起较高的开关损耗。另一种是可以实现ZVS的移相控制方法，电流超前电压以便于实现ZVS，但是，此时整流器的无功功率比较大，并且移相角度越大整流器的等效交流阻抗角越大，无功功率会降低系统效率。同时具备低无功特性和零电压开通特性的可控整流器需要被研究。

技术实现思路

[0005]针对现有谐振变换器系统的可控整流电路无法同时实现低无功功率和零电压开通的问题，本专利技术提供一种具有低无功特性和零电压开通特性的可控整流器。
[0006]本专利技术的一种具有低无功特性和零电压开通特性的可控整流器，包括将IPT系统中副边已有四个二极管组成的整流桥中的至少一个二极管替换为MOSFET管或IGBT管；选择其中的一个MOSFET管或IGBT管在0.5～1的范围内调节驱动信号占空比，并使其它MOSFET管或IGBT管作为二极管使用；所述驱动信号根据整流桥的输入电流确定频率和相位；根据实时采样获得的输出电压或输出电流调节驱动信号占空比，使输出电压或者输出电流趋于恒定；或者通过调节驱动信号占空比变换等效阻抗提高系统传输效率。
[0007]根据本专利技术的具有低无功特性和零电压开通特性的可控整流器，设整流桥的输入电流i
re
由负到正的换相点为0时刻，MOSFET管或IGBT管驱动信号的周期为T，则整流桥的输入电压u
re
的表达式为：
[0008][0009]式中t为时间；
[0010]对公式(1)进行傅里叶分解，得到：
[0011][0012]式中ω1为整流桥输入电压的基波频率。
[0013]根据本专利技术的具有低无功特性和零电压开通特性的可控整流器，对于恒压输出的系统，输出电压U
o
与驱动信号占空比D之间关系的确定方法包括：
[0014]假设整流桥输入电压u
re
的基波幅值为U
re1
，代入公式(2)，得到输出电压U
o
与驱动信号占空比D之间的关系：
[0015][0016]根据输出电压U
o
的变化调节驱动信号占空比D，使输出电压U
o
趋于恒定。
[0017]根据本专利技术的具有低无功特性和零电压开通特性的可控整流器，对于恒流输出的系统，假设整流桥输入电流i
re
的基波幅值为I
re1
，基于整流桥的输入侧输出侧功率守恒，计算得到输出电流I
o
与驱动信号占空比D之间的关系为：
[0018][0019]i
re
＝I
re1 sin(ω1t)，
[0020]根据输出电流I
o
的变化调节驱动信号占空比D，使输出电流I
o
趋于恒定。
[0021]根据本专利技术的具有低无功特性和零电压开通特性的可控整流器，对于变换负载阻抗提高传输效率的系统：
[0022]由公式(2)得到负载等效基波输入阻抗角θ
re
的表达式：
[0023][0024]由公式(2)和(3)得到整流器的负载等效基波输入阻抗Z
re
的表达式：
[0025][0026]式中R
L
为负载电阻；
[0027]调节驱动信号占空比D实现负载等效基波输入阻抗角θ
re
和负载等效基波输入阻抗
Z
re
的变换，使系统传输效率提升。
[0028]根据本专利技术的具有低无功特性和零电压开通特性的可控整流器，包括整流二极管D1、整流二极管D2、整流二极管D3、MOSFET管Q5或IGBT管Q5、滤波电容C
F
和负载电阻R
L
，
[0029]整流二极管D1和整流二极管D3组成整流桥的左桥臂，整流二极管D2和MOSFET管Q5或IGBT管Q5组成整流桥的右桥臂，滤波电容C
F
与两个桥臂并联，负载电阻R
L
与滤波电容C
F
并联。
[0030]本专利技术的有益效果：本专利技术只需在桥式不控整流电路的基础上，将一个整流二极管换成MOSFET即可。通过调节整流MOSFET管驱动信号的占空比，可实现系统的恒压/恒流输出和整流器的输入阻抗变换。本专利技术系统无需在副边后接DC/DC变换器，即可实现对副边的控制，减少了系统体积和成本，提高了无线电能传输系统的功率密度，并且几乎不增加系统的控制复杂度。
[0031]本专利技术的整流开关管驱动信号占空比范围为0.5～1，占空比过小或满占空比时，整流电路将分别变为全桥不控整流和半桥不控整流，因此系统安全性较高；此外，本专利技术的可控整流器具有2倍的电压调整范围。
[0032]本专利技术的整流系统具有小于20度的负载等效基波输入阻抗角，使得系统具备低无功特性，同时负载等效交流阻抗可调节，提高了系统效率；此外，新增加的MOSFET管可以实现零电压开通，有助于减小损耗。
附图说明
[0033]图1是本专利技术所述具有低无功特性和零电压开通特性的可控整流器的结构示意图；图中R
S
为电压采样电阻；
[0034]图2是本专利技术所述可控整流器与全桥、半桥整流器的等效示意图；
[0035]图3是输出电压U
o
与占空比D关系曲线图；
[0036]图4是本专利技术所述可控整流器的输入阻抗角θ
re
与占空比D关系曲线图；
[0037]图5是具体实施例中基于LCC/S补偿拓扑和本专利技术的可控整流器的IPT系统示意图；
[0038]图6是具体实施例中进行开环实验时输出电压U
o
随占空比D变化的仿真结果；
[0039]图7是具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有低无功特性和零电压开通特性的可控整流器，其特征在于包括将IPT系统中副边已有四个二极管组成的整流桥中的至少一个二极管替换为MOSFET管或IGBT管；选择其中的一个MOSFET管或IGBT管在0.5～1的范围内调节驱动信号占空比，并使其它MOSFET管或IGBT管作为二极管使用；所述驱动信号根据整流桥的输入电流确定频率和相位；根据实时采样获得的输出电压或输出电流调节驱动信号占空比，使输出电压或者输出电流趋于恒定；或者通过调节驱动信号占空比变换等效阻抗提高系统传输效率。2.根据权利要求1所述的具有低无功特性和零电压开通特性的可控整流器，其特征在于，设整流桥的输入电流i
re
由负到正的换相点为0时刻，MOSFET管或IGBT管驱动信号的周期为T，则整流桥的输入电压u
re
的表达式为：式中t为时间；对公式(1)进行傅里叶分解，得到：式中ω1为整流桥输入电压的基波频率。3.根据权利要求2所述的具有低无功特性和零电压开通特性的可控整流器，其特征在于，对于恒压输出的系统，输出电压U
o
与驱动信号占空比D之间关系的确定方法包括：假设整流桥输入电压u
re
的基波幅值为U
re1
，代入公式(2)，得到输出电压U
o
与驱动信号占空比D之间的关系：根据输出电压U
o
的变化调节驱动信号占空比D，使输出电压U
o
趋于恒定。4.根据权利要求1所述的具有低无功特性和零电压开通特性的可控整流器，其特征在于，对于恒流输出的系统，假设整流桥输入电...

【专利技术属性】
技术研发人员：麦建伟，杨傲，王懿杰，李陶，张相军，徐殿国，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：