一種無線充電系統輸出能量控制電路及控制方法與流程

2024-04-12 03:28:05

本發明涉及無線充電領域，特別是涉及一種無線充電系統輸出能量控制電路及控制方法。

背景技術：

目前，對於無線充電的能量控制而言，比較常見的一種控制方式是在原邊高頻交流變換器之前串聯dc/dc變換器，通過調整高頻逆變器的輸入電壓，從而調節系統的輸出功率。但是由於在原邊高頻交流變換器之前串聯dc/dc變換器，額外增加了系統中變換器的級數，導致電路中的無功功率增大，降低了整體系統可靠性。此外當負載端出現短路或者開路時，電路中的器件會因過流或過壓而毀壞。現有技術中是在副邊增加短路保護電路或開路保護電路，此方法會增加電路的複雜度，降低整體系統的可靠性。

在實際應用的過程中，由於無線充電系統的原、副邊無直接的線路連接，因而原、副邊控制器之間的通訊通常採用無線通訊的方式。無線通訊的方式不可避免地存在穩定性差、傳輸速度慢等缺陷。且由於負載處於副邊，因而原邊串聯dc/dc變換器的控制方式需要與副邊進行無線通訊才能進行信息交流與反饋從而實現控制與調節，此通訊方法穩定性差、響應時間慢；此外，對於在副邊增加開路保護電路或是短路保護電路的方法，需要原邊控制器對信息進行判斷並進行控制才能實現開路保護或是短路保護，那麼由於無線通訊的固有缺陷會導致實現開路保護或是短路保護所需的時間大大延長，進一步降低了整體系統的可靠性。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種無線充電系統輸出能量控制電路及控制方法，在實現對副邊的輸出能量更好的控制以及對電路保護的同時提高系統的可靠性。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

一種無線充電系統輸出能量控制電路，包括原邊電路、副邊電路、磁耦合器、負載；

所述原邊電路與所述副邊電路通過所述磁耦合器連接，所述副邊電路與所述負載連接；

所述原邊電路包括順次連接的交流電源、ac/dc整流變換器、高頻dc/ac逆變器以及原邊補償電路；

所述副邊電路包括順次連接的副邊補償電路、高頻ac/dc整流器；

所述高頻ac/dc整流器包括第一二極體、第二二極體、第一開關器件和第二開關器件；所述第一二極體的正極分別與所述副邊補償電路的第一連接端以及所述第一開關器件的一端連接，所述第一二極體的負極分別與所述第二二極體的負極以及負載的正極連接，所述第二二極體的正極分別與所述副邊補償電路的第二連接端以及第二開關器件的一端連接；所述第一開關器件的另一端分別與所述第二開關器件的另一端以及所述負載的負極連接。

可選的，所述交流電源的正極與所述ac/dc整流變換器的第一輸入端連接，所述ac/dc整流變換器的第一輸出端與所述高頻dc/ac逆變器的第一輸入端連接，所述高頻dc/ac逆變器的第一輸出端與所述原邊補償電路的第一輸入端連接，所述原邊補償電路的第一輸出端以及第二輸入端分別與所述磁耦合器連接，所述原邊補償電路的第二輸出端與所述高頻dc/ac逆變器的第二輸入端連接，所述高頻dc/ac逆變器的第二輸出端與所述ac/dc整流變換器的第二輸入端連接，所述ac/dc整流變換器的第二輸出端與所述交流電源的負極連接。

可選的，所述ac/dc整流變換器用於將所述交流電源提供的工頻交流電壓轉變為中間級直流電壓；所述高頻dc/ac逆變器用於將所述中間級直流電壓轉變為高頻交流電壓。

可選的，所述ac/dc整流變換器為全橋整流電路。

可選的，所述ac/dc整流變換器為半橋整流電路。

可選的，所述第一開關器件和所述第二開關器件為常閉型功率半導體開關器件。

本發明還提供了一種無線充電系統輸出能量控制方法，所述控制方法應用於上述的控制電路中，所述方法包括：

獲取負載所需的功率；

根據所述負載所需的功率計算第一開關器件的佔空比以及第二開關器件的佔空比；

根據所述第一開關器件的佔空比控制所述第一開關器件的閉合，以及根據所述第二開關器件的佔空比控制所述第二開關器件的閉合；

當負載處於開路狀態時，控制第一開關器件和第二開關器件均閉合；

當負載處於短路狀態時，控制第一開關器件和第二開關器件均斷開。

可選的，所述根據所述負載所需的功率計算第一開關器件的佔空比以及第二開關器件的佔空比，具體包括：

獲取所述負載所需的功率分別與所述第一開關器件的佔空比以及所述第二開關器件的佔空比的函數關係；

根據所述函數關係計算所述第一開關器件的佔空比以及所述第二開關器件的佔空比。

與現有技術相比，本發明具有以下技術效果：本發明提供的電路採用第一開關器件和第二開關器件代替了原有的副邊高頻ac/dc整流器的兩個下橋臂，本發明在不額外增加電路中變換器的級數的情況下，通過對第一開關器件和第二開關器件的控制，就能夠實現對副邊的輸出能量更好的控制，實現對電路的短路或開路保護，且能夠提高系統的可靠性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的無線充電系統輸出能量控制電路的電路連接圖；

圖2為本發明實施例提供的高頻ac/dc整流器處於狀態一的電路圖；

圖3為本發明實施例提供的高頻ac/dc整流器處於狀態二的電路圖；

圖4為本發明實施例提供的高頻ac/dc整流器處於狀態三的電路圖；

圖5為本發明實施例提供的高頻ac/dc整流器處於狀態四的電路圖。

1-原邊電路、2-副邊電路、3-磁耦合器、4-負載、11-交流電源、12-ac/dc整流變換器、13-高頻dc/ac逆變器、14-原邊補償電路、21-副邊補償電路、22-高頻ac/dc整流器、221-第一二極體、222-第二二極體、223-第一開關器件、224-第二開關器件。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

本發明的目的是提供一種無線充電系統輸出能量控制電路及控制方法，在實現對副邊的輸出能量更好的控制以及對電路保護的同時提高系統的可靠性。本發明電路包括原邊電路1、副邊電路2、磁耦合器3、負載4。

為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

圖1為本發明實施例提供的無線充電系統輸出能量控制電路的電路連接圖。如圖1所示，原邊電路1與副邊電路2通過磁耦合器3連接，副邊電路2與負載4連接。

所述原邊電路1包括順次連接的交流電源11、ac/dc整流變換器12、高頻dc/ac逆變器13以及原邊補償電路14。交流電源11為電路提供220v/50hz或220v/50hz的工頻交流電壓，ac/dc整流變換器12為全橋整流電路或半橋整流電路，主要是用於將所述交流電源11提供的工頻交流電壓轉變為中間級直流電壓；高頻dc/ac逆變器13用於將中間級直流電壓逆變為高頻交流電壓，以提高能量傳輸的能力和效率；原邊補償電路14可以有效地降低高頻dc/ac逆變器13的視在功率的等級要求以及迴路中的無功功率。

所述交流電源11的正極與所述ac/dc整流變換器12的第一輸入端連接，所述ac/dc整流變換器12的第一輸出端與所述高頻dc/ac逆變器13的第一輸入端連接，所述高頻dc/ac逆變器13的第一輸出端與所述原邊補償電路14的第一輸入端連接，所述原邊補償電路14的第一輸出端以及第二輸入端分別與所述磁耦合器3連接，所述原邊補償電路14的第二輸出端與所述高頻dc/ac逆變器13的第二輸入端連接，所述高頻dc/ac逆變器13的第二輸出端與所述ac/dc整流變換器12的第二輸入端連接，所述ac/dc整流變換器12的第二輸出端與所述交流電源11的負極連接。

所述副邊電路2包括順次連接的副邊補償電路21、高頻ac/dc整流器22。副邊補償電路21同樣能夠降低迴路中的無功功率，提高系統的可靠性；高頻ac/dc整流器22將副邊電路2感應到的高頻交流轉化為直流，因為無線充電系統的負載4一般為直流的電池組，因此必須轉化為直流才能給負載4充電。

所述高頻ac/dc整流器22包括第一二極體221、第二二極體222、第一開關器件223和第二開關器件224；所述第一二極體221的正極分別與所述副邊補償電路21的第一連接端以及所述第一開關器件223的一端連接，所述第一二極體221的負極分別與所述第二二極體222的負極以及負載的正極連接，所述第二二極體222的正極分別與所述副邊補償電路21的第二連接端以及第二開關器件224的一端連接；所述第一開關器件223的另一端分別與所述第二開關器件224的另一端以及所述負載4的負極連接。所述第一開關器件223和所述第二開關器件224為常閉型功率半導體開關器件。

圖2為本發明實施例提供的高頻ac/dc整流器處於狀態一的電路圖。如圖2所示，第一開關器件223斷開，第二開關器件224開通，高頻ac/dc整流器22處於狀態一，此時第一二極體221導通，第二二極體222截止，電流從a點流入，b點流出，高頻ac/dc整流器22輸出的能量可以正常輸出到負載4。

圖3為本發明實施例提供的高頻ac/dc整流器處於狀態二的電路圖。如圖3所示，第一開關器件223開通，第二開關器件224斷開，高頻ac/dc整流器22處於狀態二，此時第一二極體221截止，第二二極體222導通，電流從b點流入，a點流出，高頻ac/dc整流器22輸出的能量可以正常輸出到負載4。

圖4為本發明實施例提供的高頻ac/dc整流器處於狀態三的電路圖，圖5為本發明實施例提供的高頻ac/dc整流器處於狀態四的電路圖。

如圖4所示，第一開關器件223以及第二開關器件224均開通，高頻ac/dc整流器22處於狀態三即短路狀態，副邊電路2的能量無法輸出到負載4。如圖5所示，第一開關器件223以及第二開關器件224均斷開，高頻ac/dc整流器22處於狀態四即開路狀態，副邊電路2的能量無法輸出到負載4。

對於高頻ac/dc整流器22處於狀態三以及狀態四的情況，本發明還提供了一種無線充電系統輸出能量控制方法，所述控制方法應用於上述的控制電路中，所述方法包括：

獲取負載4所需的功率；

根據所述負載4所需的功率計算第一開關器件223的佔空比以及第二開關器件224的佔空比；

具體的，獲取所述負載4所需的功率分別與所述第一開關器件223的佔空比以及所述第二開關器件224的佔空比的函數關係；根據所述函數關係計算所述第一開關器件223的佔空比以及所述第二開關器件224的佔空比。

根據所述第一開關器件223的佔空比控制所述第一開關器件223的閉合，以及根據所述第二開關器件224的佔空比控制所述第二開關器件224的閉合；

具體的，當ac/dc整流器22處於狀態三時，調節第一開關器件223和第二開關器件224的閉合，可以調節一個周期內狀態一、狀態二以及狀態三所佔的比例，可以調節一個周期內輸出的平均電流，從而實現對系統的輸出能量的控制。當ac/dc整流器22處於狀態四時，調節第一開關器件223和第二開關器件224的閉合，可以調節一個周期內狀態一、狀態二以及狀態四所佔的比例，可以調節一個周期內輸出的平均電流，從而實現對系統的輸出能量的控制。

此外，對於輸出呈電流源特性的電路，原邊電路1的輸入電流只與副邊電路2的輸出電壓有關，與原邊電路1的輸入電壓無關。當負載4處於開路狀態時，由於副邊電路2的輸出電壓不為零，因此原邊電路1的輸入電流也不為零，即原邊電路1的能量會持續不斷地輸入到副邊電路2中，由於負載4處於開路狀態，副邊電路2接收到的能量無法輸出發到負載4，那麼副邊電路2中的能量累積會導致電路中電壓不斷升高，從而導致器件因過壓而毀壞。遇到此種情況，只需控制第一開關器件223以及第二開關器件224均開通，使ac/dc整流器22處於短路狀態，此時，副邊電路2的輸出電壓為零，因此原邊電路1的輸入電流也為零，那麼就不會有能量持續注入到系統中，整個系統中的能量只是在線圈和補償電路中來回諧振，既沒有能量的注入，也沒有能量的輸出，因此這是一個穩定的系統。雖然此時的能量仍無法輸出到負載4，但是此時能量也不會不斷注入到副邊電路2中，因此不會造成器件因過壓而毀壞。

對於輸出呈電壓源特性的電路，原邊電路1的輸入電壓只與副邊電路2的輸出電流有關，與原邊電路1的輸入電流無關。當負載4處於短路狀態時，由於副邊電路2的輸出電流不為零，因此原邊電路1的輸入電壓也不為零，即原邊電路1的能量會持續不斷地輸入到副邊電路2中，由於負載4處於短路狀態，副邊電路2接收到的能量無法輸出發到負載4，副邊電路2中的能量累積會導致電路中電流不斷升高，從而導致器件因過流而毀壞。遇到此種情況，只需控制第一開關器件223以及第二開關器件224均斷開，使ac/dc整流器22處於開路狀態，此時，副邊電路2的輸出電流為零，因此原邊電路1的輸入電壓也為零，那麼就不會有能量持續注入到系統中。整個系統中的能量只是在線圈和補償電路中來回諧振，既沒有能量的注入，也沒有能量的輸出，因此這是一個穩定的系統。雖然此時能量仍舊無法輸出到負載4，但是此時能量也不會不斷注入到副邊電路2中，因此也不會造成器件因過流而毀壞。

本發明提供的電路採用第一開關器件223和第二開關器件224代替了原有的高頻ac/dc22整流器的兩個下橋臂，本發明在不額外增加電路中變換器的級數的情況下，通過對第一開關器件223和第二開關器件224的控制，就能夠實現對副邊的輸出能量更好的控制，實現對電路的短路或開路保護。並且本發明可以在原、副邊之間不進行無線通訊的條件下，僅通過對第一開關器件223和第二開關器件224的控制，副邊電路就可以獨立地完成輸出能量控制的功能和電路保護的功能，解決了副邊輸出能量控制方案高度依賴原、副邊的無線通訊系統進行信息交流與反饋後才能進行控制與調節的問題，進一步提升了系統可靠性，加快了響應時間。

本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。