一种新型ＡＣ－ＤＣ－ＡＣ变换器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种新型ＡＣ－ＤＣ－ＡＣ变换器，包括工频电源、整流电路、逆变电路以及谐振电路，其特征在于：还包括第五开关管、串联电感以及第五二极管，在逆变电路中还设置有第六二极管和第七二极管。本发明专利技术还公开了一种控制方法，通过改变工作模式符ξ和占空比ｄ来控制各个开关管的通断状态，其中ξ＝０或１，当ξ＝０时，Ｔｏｎ为第五开关管的导通时间，当ξ＝１时，Ｔｏｎ为桥式逆变电路中同一桥臂的直通时间，Ｔ为谐振周期。本发明专利技术的显著效果是：开关驱动控制电路实现了工作模式的变化和占空比的调整，主电路结构简单，消除了直流滤波电容，消除了电路启动过程的冲击电流，在输入电压大范围变化时实现了谐振电流恒幅控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及能量传输与控制领域，具体地说是一种新型AC-DC-AC变换器及其控 制方法。
技术介绍
非接触电能传输(CPT)技术是一种新型电能传输模式，它综合应用电力电子技 术、磁场耦合技术和现代控制理论等，通过初级回路和次级回路线圈间的磁场耦合实现电 能从电源系统以非电气直接接触的方式向一个或多个用电设备(包括可移动用电设备)传 输电能。在多负载模式下，为了去除或者减小负载间的耦合特性，将CPT系统初级谐振电 流调制为恒频恒幅的高频交流电是一个有效的措施，也是CPT系统的一个研究重点。如图1所示，传统AC-DC-AC变换器(即交流-直流-交流变换器)的CPT系统的 初、次级回路均是通过DC/DC环节实现对传输功率的调节，而现有这种结构存在以下缺点(1)DC/DC变换器前后的滤波电容，体积大、价格高、寿命有限，随着功率的增加，电 容体积也相应增加。(2)当系统功率较大时，整流后的滤波电容还需增加软启动电路以减小冲击电流， 增加了系统的体积、成本和控制难度。(3)在输入电压大范围波动时，难以实现谐振电流的恒幅控制，系统的稳定性较差。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种新型AC-DC-AC变换器及其控制方法，针对传统CPT系统 主电路拓扑及其控制方式两方面进行了改进，本专利技术所述的一种新型AC-DC-AC变换器的 主电路中去掉了传统拓扑中的直流滤波电容和软启动电路，消除了电路启动过程的冲击电 流，减小了系统的体积和成本。为了扩宽输入电压的适应范围，系统分别定义了两种不同的 工作模式，即Buck模式和Boost模式。通过工作模式的切换使得系统输入电压大范围变化 时能实现谐振电流恒幅控制，整个电路结构简单，控制方便，成本也比较低廉，系统的稳定 性也比较高。为达到上述目的，本专利技术提供一种新型AC-DC-AC变换器，包括工频电源、整流电 路、逆变电路以及谐振电路，其中逆变电路为第一开关管、第二开关管、第三开关管以及第 四开关管组成的桥式逆变电路，其特征在于所述整流电路的高电平输出端与第五开关管的输入端连接，该第五开关管的输出 端与串联电感的一端连接，该串联电感的另一端与所述桥式逆变电路的高电平输入端相 连，所述整流电路的低电平输出端直接与桥式逆变电路的低电平输入端连接，所述第五开 关管的输出端还与第五二极管的阴极连接，该第五二极管的阳极连接在所述整流电路的低 电平输出端上；5所述桥式逆变电路的两个输出端之间串接所述谐振电路；所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管以及第五开关管的驱动端 均与开关驱动控制电路连接。在输入电压较高的情况下，所述新型AC-DC-AC变换器工作于Buck模式，由第五开 关管、第五二极管和串联电感构成Buck环节，所述桥式逆变电路的开关管在谐振电容两端 电压过零点切换。在输入电压较低的情况下，第五开关管直通，串联电感和桥式逆变电路的一个桥 臂构成Boost环节，这时所述新型AC-DC-AC变换器工作在Boost模式。该新型AC-DC-AC变换器中的开关驱动控制电路控制各个开关管的通断状态，使 得系统能够在Buck模式和Boost模式之间切换以及两种工作模式下占空比的控制，可实 现系统输入电压大范围变化时能维持输出的稳定，通过对谐振电感上的谐振电流幅值的控 制，从而实现对系统传输功率的灵活调节。所述开关驱动控制电路设置有控制器、电源电压采样模块、电容电压采样模块、电 感电流采样模块，其中所述电源电压采样模块的输出端连接在控制器的第一输入端上，用于采集工频电 源的电压值；所述电容电压采样模块的输出端与第一过零检测模块的输入端相连，该第一过零 检测模块的输出端连接在控制器的第二输入端上；通过电容电压采样模块采集谐振电容两端的电压值，通过第一过零检测模块后控 制器可以记录谐振电容电压的过零时刻，便于确定谐振电路的谐振周期以及控制桥式逆变 电路中的开关管的切换时间。所述电感电流采样模块的输出端与微分运算模块的输入端连接，该微分运算模块 的输出端连接在第二过零检测模块的输入端上，该第二过零检测模块的输出端与控制器的 第三输入端连接；所述电感电流采样模块的输出端还直接连接在所述控制器的第四输入端上；通过电感电流采样模块对谐振电感上的谐振电流值进行采样，采样所得的谐振电 流经过微分运算以及过零检测后，控制器便可以获得谐振电流的峰值时刻，此时控制器通 过第四输入端读取电感电流采样模块所采集的谐振电流值即为谐振电流峰值。所述控制器的第五输入端上还连接有标准参考电流给定信号，通过标准参考电流 与谐振电流值比较判断，便于确定系统的工作模式以及占空比。所述控制器的输出端连接有开关信号驱动模块，该开关信号驱动模块设置有驱动 信号输出端口组，该驱动信号输出端口组分别与所述第一开关管、第二开关管、第三开关 管、第四开关管以及第五开关管的驱动端连接。控制器获取系统工作时的各个参数，确定系统的工作模式和占空比，通过控制器 控制开关信号驱动模块，通过开关信号驱动模块控制各个开关管的通断状态，最终实现系 统工作模式的切换和占空比的控制。所述谐振电路为谐振电容、谐振电感以及等效电阻组成的并联谐振电路，其中，谐 振电容的一端连接在所述桥式逆变电路的第一输出端上，谐振电容的另一端连接在所述桥 式逆变电路的第二输出端上。所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管以及第五开关管都为N沟 道场效应管，该N沟道场效应管的漏极为输入端，源极为输出端，栅极为驱动端，在漏极与 源极之间还串接了保护二极管，该保护二极管的阳极与源极连接，阴极与漏极连接。开关管 也可以根据应用环境的具体要求选择其他的类型。所述桥式逆变电路中还设置有第六二极管和第七二极管，其中第六二极管的阳极 连接在第一开关管的输入端上，第六二极管的阴极连接在第二开关管的输入端上，第七二 极管的阳极连接在第四开关管的输出端上，第七二极管的阴极连接在第三开关管的输出端 上。为了增加开关管的安全性，防止开关管因为反向高压而被击穿，因此在开关管的 输入端和输出端之间设置有旁通保护二极管，但是当系统工作在Boost模式时，由于同一 桥臂出现直通现象，因此谐振电路中的电流将会通过保护二极管以及直通开关管反馈到谐 振电路中，从而出现电流的串扰现象，为了防止电流的串扰，因此电路中设置了第六二极管 以及第七二极管。本专利技术还提出了一种新型AC-DC-AC变换器的控制方法，其关键在于按照以下步 骤进行步骤A 预置系统参数在控制器内设置工作模式符€、占空比d、占空比变化值Ad、占空比限定值d_;其中工作模式符\等于0或1，占空比J = @ ；当工作模式符€ = 0时，系统工作在Buck模式，Ton为第五开关管的导通时间；当工作模式符I = 1时，系统工作在Boost模式，Ton为桥式逆变电路中同一桥 臂的直通时间；T为谐振电路的谐振周期；所述占空比变化值A d根据系统的谐振电路信号灵敏度确定，占空比限定值dmax 根据系统的总谐波含量确定，具体参数值的确定由设计人员根据实验所得的经验值在控制 器内事先设定。步骤B 判定起始工作模式及其占空比控制器从电源电压采样模块获取工频电源电压值Vac、从电容电压采样模块获取 谐振周期T，从电感电流采样模块获取谐振电流峰值| ；控制器预置工作模式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型ＡＣ－ＤＣ－ＡＣ变换器，包括工频电源、整流电路、逆变电路以及谐振电路，其中逆变电路为第一开关管（Ｓ１）、第二开关管（Ｓ２）、第三开关管（Ｓ３）以及第四开关管（Ｓ４）组成的桥式逆变电路，其特征在于：所述整流电路的高电平输出端与第五开关管（Ｓ５）的输入端连接，该第五开关管（Ｓ５）的输出端与串联电感（Ｌｄ）的一端连接，该串联电感（Ｌｄ）的另一端与所述桥式逆变电路的高电平输入端相连，所述整流电路的低电平输出端直接与桥式逆变电路的低电平输入端连接，所述第五开关管（Ｓ５）的输出端还与第五二极管（Ｄ５）的阴极连接，该第五二极管（Ｄ５）的阳极连接在所述整流电路的低电平输出端上；所述桥式逆变电路的两个输出端之间串接所述谐振电路；所述第一开关管（Ｓ１）、第二开关管（Ｓ２）、第三开关管（Ｓ３）、第四开关管（Ｓ４）以及第五开关管（Ｓ５）的驱动端均与开关驱动控制电路连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：苏玉刚，唐春森，孙跃，王智慧，戴欣，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]