利用不对称电压消除技术控制LCL变换器的方法和设备技术

描述了一种利用不对称电压消除的LCL谐振变换器控制方法和设备。讨论了用于确定控制变量最佳轨迹的方法。包括感测负载参数的实际实现。简单的PI、PID和模糊逻辑控制器被包括与AVC一起用于实现具有输出电流调节的良好的瞬态响应特性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用不对称电压消除技术控制LCL变换器的方法和设备相关专利申请的交叉引用本专利申请要求提交于2011年3月11日的美国临时专利申请N0.61/451，823的优先权。政府资助的研究本专利技术是以美国能源部授予的合同DE-EE0003114的形式在政府支持下进行的。美国政府享有本专利技术中的某些权益。
本公开涉及一种用于提高感应式功率传输系统的效率的方法，尤其涉及利用不对称电压消除技术来控制LCL谐振式变换器。
技术介绍
实现无线功率传输的一种方法是通过一种被称为感应式功率传输(IPT)的处理,在感应式功率传输中，输入功率(以来自恒定高频交流电的电能的形式)根据安培定律被转换为时变磁场(图1)。在接收端，磁场根据法拉第定律被转换为感应电压，从而生成输出功率用于负载。无线功率传输可以使得电动车辆能够在静止或运动期间被连续地充电，而不需要车辆与道路之间的物理连接。IPT系统大体上可以分为三个主要部分，包括电源、磁耦合器以及拾取接收器。
技术实现思路
设计无线电源的关键是在将成本和尺寸保持为很低的同时无损耗和寄生效应或者损耗和寄生效应很低地将DC功率转换为高频AC功率。在实践中，从未实现零损耗。因此，设计功率变换器的目标始终是在将成本、尺寸和寄生效应(如电磁干扰(EMI))保持为尽可能低的同时获得尽可能高的变换效率。在无线功率传输领域中，减少高功率电感-电容-电感(LCL)谐振变换器的EMI和提高效率已经成为了一项重要的研究。电效率问题与发送器电子器件中的变换损失有关。随着可再生能源领域的快速发展，高效率系统的观念正变得越来越重要。根据这个趋势，能够实现超高效率就成为广为接受的观念。这样，现代功率电子器件已经将关键注意力放在了闻效率软开关变换器上。MOSFET技术在过去几十年在性能方面已经获得了快速发展。现在，这些器件被用作为用于很多功率电子系统的基本构造模块。但是，这些器件中的体二极管通常具有非常差的关断特性，这导致在LCL变换器中尤其出现的巨大的二极管反向恢复损耗。所需要的是一种用于LCL变换器的控制策略来提高效率。这包括最佳开关条件来消除LCL变换器中的二极管反向恢复损耗。需要开关速度快并且导通状态电阻非常低的MOSFET来改善绝缘栅双极型晶体管(IGBT)性能。公开了一种利用不对称电压消除(AVC)的新调制技术来提供对用于感应式功率传输(IPT)系统中的高功率LCL谐振变换器的有效率的控制。AVC控制提供了一种方式来避免二极管反向恢复损耗，同时实现可接受的总谐波失真(THD)和相关损耗。与H桥中开关上的额外的寄生或外部电容相结合，实现了完全软开关的零电压开关(ZVS)固定频率谐振功率变换器。【附图说明】图1示出了一种感应式功率传输。图2示出了一种具有全桥控制的LCL谐振变换器。图3示出了一种示例性开关门波形与H桥输出电压的映射关系。图4示出了一个列出H桥的多个示例性开关过渡状态的表格。图5示出了一个示例性对称电压消除控制Vab波形。图6示出了一个示例性不对称占空比控制Vab波形。图7示出了一个示例性不对称电压消除控制Vab波形。图8示出了用于不同控制角度的THD，beta=180并且Q1=4.0。图9示出了用于不同控制角度的THD，beta=180并且Q1=L 5。图10示出了用于不同控制角度的1'册沘6七&=90并且％=1.5。图11示出了一种利用变流器(CT)来检测电桥电流的示例性LCL变换器。图12示出了 Vab的一个示例性振幅分量图，beta=180。图13示出了 Vab的一个示例性相位分量图，beta=180o图14示出了 Vab的二次谐波的一个示例性振幅分量图，beta=180。图15示出了 Vab的二次谐波的一个示例性相位分量图，beta=180。图16示出了随品质因数变化的N阶次的关系。图17示出了一种用于确定二极管反向恢复损耗的示例性流程图。图18示出了贪婪算法的一种示例性示意图。图19示出了对于Q1=2的贪婪算法的一种示例性方案。图20示出了对于Q1=2的THD的控制角度的贪婪算法的一种示例性方案。图21示出了对于Q1=2的最佳THD的贪婪算法的一种示例性方案。图22示出了对于Q1=4的贪婪算法的一种示例性方案。图23示出了对于Q1=4的THD的控制角度的贪婪算法的一种示例性方案。图24示出了具有最小THD路径的贪婪算法的一种示例性方案。图25示出了对于beta角度的4阶次多项式拟合。图26示出了利用电阻器或霍尔效应传感器进行感测的桥电感电流测量。图27示出了利用PLL的一种示例性相位检测电路。图28示出了一种示例性的滤波桥电流波形图29示出了一种示例性测量电路的方框图。图30示出了控制器的一种示例性微控制器输入输出信号图实现。图31示出了 AVC的微控制器实现的一种示例性内部方框图。图32示出了用于设计AVC控制器的一种示例性方框图。图33示出了具有额外开关输出电容的一种示例性软开关固定频率LCL变换器。图34示出了用于确定开关电容值的一个示例性流程图。图35示出了在开关的情况下的多个示例性桥电流。图36示出了用于LCL谐振网络的示例性分量值的表格。图37不出了一种不例性闻等级控制方框图。图38示出了一种示例性H桥半驱动器的低等级示意图。图39示出了通过所公开的系统的ー个示例性电流路径。图40示出了一种示例性LCL变换器系统的高等级示意图。图41示出了一种示例性LCL谐振网络的示意图。图42示出了一种示例性软件流程图。图43示出了ー种示例性图形用户界面（GUI)的ー个示例。图44示出了一种示例性硬件描述语言（HDL)设计逻辑的流程图。图45示出的表格列出了在一种示例性不对称电压消除中的总谐波失真改善。图46示出了表明不可避免ニ极管反向恢复的示例性实验結果。图47示出了表明可以避免ニ极管反向恢复的示例性实验結果。图48示出了不对称电压消除与对称电压消除的一个示例性效率比较。【具体实施方式】本专利技术涉及用于改进的电感-电容-电感(LCL)谐振变换器的设备和相关方法。在下面的描述中提供了很多具体细节以便全面地理解具体的优选实施例。但是，本领域技术人员将会认识到，在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下、或者利用其他方法、部件、材料等也可以实现实施例。在一些情形下，公知的结构、材料或操作没有被详细地示出或描述，以便避免使优选实施例的各方面难以理解。此外，所描述的特征、结构、或特性可以在多个可选实施例中以任何适当的方式组合。因此，以下对如附图中某些方面所示的本专利技术实施例的更具体的描述并不旨在对专利技术范围进行限制，而仅仅代表本专利技术的多个实施例。在本说明书以及随后的权利要求书中，除非内容明确地有相反说明，否则单数形式(例如“一个”、“一种”和“这个”)涵盖复数形式。除非明确地指出，否则这里所给出的所有范围都包括所有端点和中间值。此外，“可选的”或“可选地”例如是指后面描述的情形可能发生也可能不发生的实例，并且包括该情形发生的实例以及该情形不发生的实例。术语“一个或多个”以及“至少一个”例如是指后面描述的情形之一发生的实例以及后面描述的情形中不止一个情形发生的实例。本专利技术介绍了一种用于改进的电感-电容-电感(LCL)谐振变换器的方法和设备。LCL网络被调谐为在期望频率谐振。谐振本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于利用不对称电压消除技术控制电路的计算机实现方法，包括：基于加载条件和至少一个电路参数确定避免二极管反向恢复损耗的多个点，其中每个点包括一个控制变量组合；为所述多个点中每个点确定谐波失真；基于所确定的谐波失真确定具有最小谐波失真的点的轨迹；对于所述点的轨迹上至少一个点，利用所述控制变量组合来控制所述电路；以及基于所述加载条件控制所述电路中的功率电平。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.03.11 US 61/451,8231.一种用于利用不对称电压消除技术控制电路的计算机实现方法，包括:基于加载条件和至少一个电路参数确定避免二极管反向恢复损耗的多个点，其中每个点包括一个控制变量组合；为所述多个点中每个点确定谐波失真；基于所确定的谐波失真确定具有最小谐波失真的点的轨迹；对于所述点的轨迹上至少一个点，利用所述控制变量组合来控制所述电路；以及基于所述加载条件控制所述电路中的功率电平。2.如权利要求1所述的方法，其中所述控制变量组合包括:alpha plus控制变量；alpha minus控制变量；和beta控制变量,其中所述alpha plus控制变量、所述alpha minus控制变量、和所述beta控制变量使得能够实现不对称电压消除。3.如权利要求1所述的方法，其中所述电路包括:第一电感器；电容器；和第二电感器，其中所述第 一电感器、所述电容器、和所述第二电感器被配置为形成电感-电容-电感(LCL)变换器。4.如权利要求3所述的方法，其中所述至少一个电路参数包括下列中至少之一:第一电感与第二电感的比率，其中所述第一电感是基于所述第一电感器的，而所述第二电感是基于所述第二电感器的；阻抗；反射阻抗；以及部件容差。5.如权利要求1所述的方法，还包括:监测所述电路的加载条件；和基于所述加载条件来调节所述控制变量组合。6.如权利要求1所述的方法，还包括:监测所述电路的所述至少一个电路参数；和基于所感测的电路参数沿着所述点的轨迹调节所述控制变量组合。7.如权利要求1所述的方法，其中用于所述点的轨迹上所述至少一个点的所述控制变量组合使得能够实现以恒定开关频率的软开关。8.—种被配置为减小电路的二极管反向恢复损耗的控制器，包括:处理器；与所述处理器电子通信的存储器，其中所述存储器存储在被所述处理器执行时使所述处理器执行以下步骤的可执行指令:基于加载条件和至少一个电路参数确定避免二极管反向恢复损耗的多个点，其中每个点包括一个一个控制变量组合；为所述多个点中每个点确定谐波失真；基于所确定的谐波失真确定具有最小谐波失真的点的轨迹；对于所述点的轨迹上的至少一个点，利用所述控制变量组合控制所述电路；和基于所述加载条件控制所述电路中的功率电平。9.如权利要求8所述的控制器，其中所述控制变量组合包括:alpha plus控制变量；alpha minus控制变量；和beta控制变量,其中所述alpha plus控制变量、所述alphaminus控制变量、和所述beta控制变量使得能够实现不对称电压消除。10.如权利要求8所述的控制器，其中所述电路包括:第一电感器；电容器；和...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·D·西利，B·T·莎帕，H·吴，A·吉尔克里斯特，
申请(专利权)人：犹他州立大学，
类型：
国别省市：