一種帶有下拉輔助開關的感應耦合電能傳輸控制方法與流程

2024-03-07 03:24:15 2

技術領域：

本發明屬於電學技術領域，涉及一種帶有下拉輔助開關的感應耦合電能傳輸控制方法，採用輔助開關支路用於感應耦合電能的傳輸控制。

背景技術：

目前，感應耦合電能傳輸(inductivelycoupledpowertransfer，icpt)裝置的主電路拓撲大多採用全橋電壓型逆變電路、半橋llc電壓型諧振逆變電路及lc諧振單管逆變雙極性逆變電路；前兩種電路拓撲存在著電路結構相對複雜，電源成本相對較高，橋臂上下開關管容易造成直通而燒壞等問題；後者是一種新型無線電能傳輸拓撲，具有電路簡單、成本低、傳輸效率高、可實現零電壓開通和零電壓關斷控制等優點，但也存在著一些缺點，當裝置輸入電壓為220vac/50hz交流電時，其運行過程中開關管兩端承受的電壓高達1200v以上，致使開關管只能選用耐壓較高的絕緣柵場效應電晶體(igbt)，為了減小icpt裝置的體積和重量，國家標準規定開關頻率需達到83khz以上，而當igbt的開關頻率大於25khz以後，其損耗會隨著開關頻率的增加而增大，制約了icpt裝置的體積和成本進一步降低，不利於這種新型icpt裝置拓撲的應用推廣。所以，設計一種新型的適應電路控制方法很有應用開發價值。

技術實現要素：
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本發明的目的在於克服現有技術的缺點，在現有icpt裝置用lc諧振單管逆變雙極性逆變電路拓撲中增加一組下拉輔助開關支路，該支路中包含一個輔助開關管，主開關管和輔助開關管的開關頻率相同，均可實現軟開關控制，且兩管之間無直通問題，提高了可靠性；在保持原有電路優點的情況下，使開關管兩端承受的電壓降低到原來的2/3，使裝置可以採用金屬氧化物電晶體(mosfet)作為開關管，開關頻率可達83khz以上，同時因輔助開關管導通時間短、功耗低，為進一步減小icpt裝置的體積和重量，降低成本提供技術方案。

為了實現上述目的，本發明採用帶有下拉輔助開關的感應耦合電能傳輸裝置實現電能傳輸控制的方法，具體包括以下步驟：

(1)、先根據負載選擇控制方式和補償結構，若負載需要恆壓供電，則切換成第一副邊補償電容，即採用原邊並聯副邊串聯(ps)的補償結構，選擇恆壓控制方法；若負載需要恆流供電，則切換成第二副邊補償電容，採用原邊並聯副邊並聯(pp)的補償結構，選擇恆流控制方法；若既不選擇恆壓供電，也不選擇恆流供電，則裝置待機，直至選擇供電方式；

(2)、若選擇恆壓供電，首先採用脈衝寬度調製(pwm)軟啟動，給定初始開關頻率，保持開關頻率不變，導通時間逐漸增加至設定值，輸出電壓達到設定電壓，當裝置輸出電壓不穩定時，通過脈衝頻率調製(pfm)控制穩定輸出電壓。採樣電路把檢測到的輸出電壓信號發送給第二單片機控制電路，第二單片機控制電路根據輸出電壓的不同變化，通過第二無線通信電路向原邊控制電路發出不同的控制信號，原邊控制電路中的第一無線通信電路接收到第二無線通信電路發出的信號，再傳遞給第一單片機控制電路，第一單片機控制電路來調整裝置的開關頻率；若輸出電壓變大，第二單片機控制電路會通過第二無線通信電路向原邊控制電路發出增加開關頻率的信號；若輸出電壓減小，第二單片機控制電路通過第二無線通信電路向原邊控制電路發出減小開關頻率的信號，從而穩定裝置的輸出電壓；當第二電壓檢測電路檢測到鉗位電容兩端的電壓增加，第一單片機控制電路把輔助開關管的控制信號變為高電平，輔助開關管實現零電壓開通，檢測主開關管是否為零電壓開通，主開關管若不是零電壓開通，通過pwm控制實現零電壓開通，當主開關管的驅動信號由低電平變為高電平時，第一電壓檢測電路檢測主開關管漏源兩端的電壓，若主開關管漏源兩端的電壓不為0，即沒有實現零電壓開通，則第一單片機控制電路減少主開關管的佔空比；若主開關管漏源兩端的電壓為0，即實現了零電壓開通，則主開關管的佔空比不變；當主開關管實現零電壓開通後，判斷裝置是否停機，若給出停機信號，則裝置停止工作；若未給出停機信號，則重新檢測輸出電壓，重複上述步驟；

(3)、若選擇恆流供電，首先採用pwm軟啟動，即給定初始開關頻率，保持開關頻率不變，導通時間逐漸增加至設定值，輸出電流達到設定電流；當裝置的輸出電流不穩定時，通過pfm控制穩定輸出電流，採樣電路把檢測到的輸出電流信號發送給第二單片機控制電路，第二單片機控制電路根據輸出電流的變化，通過第二無線通信電路向原邊控制電路發出不同的控制信號，原邊控制電路中的第一無線通信電路接收到第二無線通信電路發出的信號，再傳遞給第一單片機控制電路，第一單片機控制電路調整裝置的開關頻率；若輸出電流變大，第二單片機控制電路通過第二無線通信電路向原邊控制電路發出增加開關頻率的信號；若輸出電流減小，第二單片機控制電路通過第二無線通信電路向原邊控制電路發出減小開關頻率的信號，從而穩定裝置的輸出電流；當第二電壓檢測電路檢測到鉗位電容兩端的電壓增加，第一單片機控制電路把輔助開關管的控制信號變為高電平，輔助開關管實現零電壓開通，檢測主開關管是否為零電壓開通，主開關管若不是零電壓開通，通過pwm控制實現零電壓開通，當主開關管的驅動信號由低電平變為高電平時，第一電壓檢測電路檢測主開關管漏源兩端的電壓，若主開關管漏源兩端的電壓不為0，即沒有實現零電壓開通，則第一單片機控制電路減少主開關管的佔空比；若主開關管漏源兩端的電壓為0，即實現了零電壓開通，則主開關管的佔空比不變；當主開關管實現零電壓開通後，判斷裝置是否停機，若給出停機信號，則裝置停止工作；若未給出停機信號，則重新檢測輸出電流，重複上述步驟；整個裝置通過變頻+變佔空比的控制方式穩定輸出電壓或輸出電流，同時使主開關管和輔助開關管實現零電壓開通，達到感應耦合電能傳輸調控的目的。

本發明所述帶有下拉輔助開關的感應耦合電能傳輸裝置的主體結構包括第一整流橋、l1c1濾波電路、諧振耦合電路、主開關管、第一二極體、下拉輔助開關支路、第二整流橋、第二濾波電容、等效負載、原邊控制電路和副邊控制電路；220vac經第一整流橋、l1c1濾波電路後轉換成直流電壓，主開關管、第一二極體和下拉輔助開關支路將直流電逆變成高頻交流電，高頻交流電施加在諧振耦合電路中原邊電感的兩端，諧振耦合電路中副邊電感兩端感應出電壓，副邊電感兩端電壓經第二整流橋、第二濾波電容後轉換成直流電，為等效負載供電；第一整流橋將工頻交流電進行整流；l1c1濾波電路由濾波電感和第一濾波電容串聯組成，用於工頻濾波；諧振耦合電路由原邊補償電容、原邊屏蔽層、原邊電感、副邊電感、副邊屏蔽層、第一副邊補償電容或第二副邊補償電容電連接組成，用於將能量從原邊傳遞到副邊，從而為負載供電，原邊電感和副邊電感之間的互感隨原邊電感和副邊電感之間的傳輸距離而變化；原邊屏蔽層和副邊屏蔽層用於提高裝置耦合係數和提高傳輸效率，減弱原邊電感和副邊電感對原、副邊電路板的電磁幹擾；第一副邊補償電容和第二副邊補償電容能夠互相切換，若切換成第一副邊補償電容，則原邊補償電容和第一副邊補償電容組成原邊並聯副邊串聯(ps)補償結構輸出表現為恆壓源，適用於需要恆壓供電的設備，若切換成第二副邊補償電容，則原邊補償電容和第二副邊補償電容組成原邊並聯副邊並聯(pp)補償結構輸出表現為恆流源，適用於需要恆流供電的設備；主開關管、第一二極體和下拉輔助開關支路用於實現電能逆變，第一二極體為主開關管的反並聯二極體；輔助開關管、第二二極體和鉗位電容按照電學原理進行電連接組成下拉輔助開關支路，用於降低主開關管漏源兩端的電壓，其中第二二極體為輔助開關管的反並聯二極體；輔助開關管和主開關管開關頻率相同，輔助開關管和主開關管的導通存在死區，輔助開關管的導通時間短，導通損耗較小；第二整流橋用於把高頻交流電進行整流，第二濾波電容用於高頻濾波，等效負載為容性負載或感性負載；原邊控制電路包括第一單片機控制電路、驅動電路、第一輔助電源、第一無線通信電路、第一電壓檢測電路、遙控器、第二電壓檢測電路，原邊控制電路使主開關管和輔助開關管實現零電壓開通控制，並使裝置輸出電壓穩定或輸出電流穩定，其中，第一單片機控制電路根據第一無線通信電路接收到的通信信號、第一電壓檢測電路檢測到的主開關管的電壓信號及第二電壓檢測電路檢測到的鉗位電容的電壓信號，分別輸出主開關管和輔助開關管的控制信號，控制信號經驅動電路隔離放大後驅動主開關管和輔助開關管；第一輔助電源為第一單片機控制電路和驅動電路供電；第一無線通信電路接收第二無線通信電路發出的反饋信號和遙控器發出的控制信號，第一無線通信電路向遙控器發射裝置運行狀態信號；第一電壓檢測電路用於檢測主開關管漏源兩端的電壓；遙控器根據接收到的第一無線通信電路發出的裝置運行狀態信號，顯示裝置輸出電壓、輸出電流及是否實現零電壓開通；遙控器向第一無線通信電路發射控制信號，使第一單片機控制電路選擇恆壓控制或恆流控制；第二電壓檢測電路檢測鉗位電容兩端的電壓，當檢測到鉗位電容兩端的電壓增加，第一單片機控制電路把輔助開關管的控制信號變為高電平，輔助開關管實現零電壓開通，當鉗位電容兩端的電壓增加時，原邊電感通過第二二極體為鉗位電容充電，第二二極體導通，輔助開關管漏源兩端的電壓為0，輔助開關管實現零電壓開通；副邊控制電路由採樣電路、第二單片機控制電路、第二輔助電源及第二無線通信電路組成，用於給原邊控制電路發射反饋信號，採樣電路檢測裝置的輸出電壓和輸出電流；第二單片機控制電路根據接收到的採樣電路的信號，控制第二無線通信電路向第一無線通信電路發射反饋信號；第二輔助電源為第二單片機控制電路供電。

本發明與現有技術相比，採用帶有下拉輔助開關的icpt裝置，具有電路結構簡單、主開關管和輔助開關管具有相同的開關頻率、均易於控制且都可實現零電壓軟開關、輔助開關管的開通時間短等特點，增加輔助開關管，其導通時間短，且可實現軟開關控制，使整個裝置損耗較小；增加下拉輔助開關支路，使主開關管承受的電壓降低1/3,使主開關管和輔助開關管均可採用價格低、開關頻率高達83khz以上的mosfet，使得開關頻率符合國家標準，使得鬆耦合變壓器的體積也相應減小，有利於應用推廣；採用變頻+變佔空比進行控制，實現零電壓開通，穩定輸出電壓或輸出電流，提高裝置的可靠性，有利於應用推廣；根據不同的負載採用不同的補償結構和相應的pwm和pfm控制方法，若負載需要恆壓供電，則切換成第一副邊補償電容，即採用ps的補償結構，同時採用恆壓控制方法；若負載需要恆流供電，則切換成第二副邊補償電容，即採用pp的補償結構，同時採用恆流控制方法。

附圖說明：

圖1是本發明所述帶有下拉輔助開關的icpt裝置的主體結構電路原理示意圖。

圖2是本發明實現電能傳輸控制的工藝流程框圖。

圖3是本發明所述裝置的工作電信號波形圖，其中ugs1為主開關管q1的驅動電壓，ugs2為輔助開關管q2的驅動電壓，uds1為主開關管q1漏源兩端的電壓，uds2為輔助開關管q2漏源兩端的電壓，up為原邊補償電容cp兩端的電壓，ip為原邊電感lp的電流，uc為鉗位電容cc兩端的電壓。

具體實施方式：

下面結合附圖和具體實施例對本發明的技術方案作進一步詳細地說明。

實施例：

本實施例採用帶有下拉輔助開關的icpt裝置實現電能傳輸控制的方法，包括以下步驟：

(1)、先根據負載選擇控制方式和補償結構，若負載需要恆壓供電，則切換成第一副邊補償電容cs，即採用ps的補償結構，選擇恆壓控制方法；若負載需要恆流供電，則切換成第二副邊補償電容ct，採用pp的補償結構，選擇恆流控制方法；若既不選擇恆壓供電，也不選擇恆流供電，則裝置待機，直至選擇供電方式；

(2)、若選擇恆壓供電，首先採用pwm軟啟動，給定初始開關頻率，保持開關頻率不變，導通時間逐漸增加至設定值，輸出電壓達到設定電壓，當裝置輸出電壓不穩定時，通過pfm控制穩定輸出電壓，採樣電路15把檢測到的輸出電壓信號發送給第二單片機控制電路16，第二單片機控制電路16根據輸出電壓的不同變化，通過第二無線通信電路18向原邊控制電路6發出不同的控制信號，原邊控制電路6中的第一無線通信電路11接收到第二無線通信電路18發出的信號，再傳遞給第一單片機控制電路8，第一單片機控制電路8來調整裝置的開關頻率；若輸出電壓變大，第二單片機控制電路16會通過第二無線通信電路18向原邊控制電路6發出增加開關頻率的信號；若輸出電壓減小，第二單片機控制電路16通過第二無線通信電路18向原邊控制電路6發出減小開關頻率的信號，從而穩定裝置的輸出電壓；當第二電壓檢測電路14檢測到鉗位電容cc兩端的電壓增加，第一單片機控制電路8把輔助開關管q2的控制信號變為高電平，輔助開關管q2實現零電壓開通，檢測主開關管q1是否為零電壓開通，主開關管q1若不是零電壓開通，通過pwm控制實現零電壓開通，當主開關管q1的驅動信號由低電平變為高電平時，第一電壓檢測電路12檢測主開關管q1漏源兩端的電壓，若主開關管q1漏源兩端的電壓不為0，即沒有實現零電壓開通，則第一單片機控制電路8減少主開關管q1的佔空比；若主開關管q1漏源兩端的電壓為0，即實現了零電壓開通，則主開關管q1的佔空比不變；當主開關管q1實現零電壓開通後，判斷裝置是否停機，若給出停機信號，則裝置停止工作；若未給出停機信號，則重新檢測輸出電壓，重複上述步驟；

(3)、若選擇恆流供電，首先採用pwm軟啟動，即給定初始開關頻率，保持開關頻率不變，導通時間逐漸增加至設定值，輸出電流達到設定電流；當裝置的輸出電流不穩定時，通過pfm控制穩定輸出電流，採樣電路15把檢測到的輸出電流信號發送給第二單片機控制電路16，第二單片機控制電路16根據輸出電流的變化，通過第二無線通信電路18向原邊控制電路6發出不同的控制信號，原邊控制電路6中的第一無線通信電路11接收到第二無線通信電路18發出的信號，再傳遞給第一單片機控制電路8，第一單片機控制電路8調整裝置的開關頻率；若輸出電流變大，第二單片機控制電路16通過第二無線通信電路18向原邊控制電路6發出增加開關頻率的信號；若輸出電流減小，第二單片機控制電路16通過第二無線通信電路18向原邊控制電路6發出減小開關頻率的信號，從而穩定裝置的輸出電流；當第二電壓檢測電路14檢測到鉗位電容cc兩端的電壓增加，第一單片機控制電路8把輔助開關管q2的控制信號變為高電平，輔助開關管q2實現零電壓開通，檢測主開關管q1是否為零電壓開通，主開關管q1若不是零電壓開通，通過pwm控制實現零電壓開通，當主開關管q1的驅動信號由低電平變為高電平時，第一電壓檢測電路12檢測主開關管q1漏源兩端的電壓，若主開關管q1漏源兩端的電壓不為0，即沒有實現零電壓開通，則第一單片機控制電路8減少主開關管q1的佔空比；若主開關管q1漏源兩端的電壓為0，即實現了零電壓開通，則主開關管q1的佔空比不變；當主開關管q1實現零電壓開通後，判斷裝置是否停機，若給出停機信號，則裝置停止工作；若未給出停機信號，則重新檢測輸出電流，重複上述步驟；裝置通過變頻+變佔空比的控制方式穩定輸出電壓或輸出電流，同時使主開關管q1和輔助開關管q2實現零電壓開通，達到感應耦合電能傳輸調控的目的。

本實施例所述帶有下拉輔助開關的icpt裝置的主體結構包括第一整流橋1、l1c1濾波電路2、諧振耦合電路3、主開關管q1、第一二極體dq1、下拉輔助開關支路4、第二整流橋5、第二濾波電容c2、等效負載z、原邊控制電路6和副邊控制電路7；220vac經第一整流橋1、l1c1濾波電路2後轉換成直流電壓，主開關管q1、第一二極體dq1和下拉輔助開關支路4將直流電逆變成高頻交流電，高頻交流電施加在諧振耦合電路3中原邊電感lp的兩端，諧振耦合電路3中副邊電感ls兩端感應出電壓，副邊電感ls兩端電壓經第二整流橋5、第二濾波電容c2後轉換成直流電，為等效負載z供電；第一整流橋1的兩端分別與220vac和l1c1濾波電路2電連接，用於把工頻交流電進行整流；l1c1濾波電路2由濾波電感l1和第一濾波電容c1串聯組成，用於工頻濾波；諧振耦合電路3由原邊補償電容cp、原邊屏蔽層sp、原邊電感lp、副邊電感ls、副邊屏蔽層ss、第一副邊補償電容cs或第二副邊補償電容ct電連接組成，用於將能量從原邊傳遞到副邊，從而為負載供電，其中，m為原邊電感lp和副邊電感ls之間的互感，m隨lp和ls之間的傳輸距離而變化；原邊屏蔽層sp和副邊屏蔽層ss用於提高裝置耦合係數和提高傳輸效率，減弱原邊電感lp和副邊電感ls對原、副邊電路板的電磁幹擾；第一副邊補償電容cs和第二副邊補償電容ct能夠互相切換，若切換成第一副邊補償電容cs，則原邊補償電容cp和第一副邊補償電容cs組成ps補償結構輸出表現為恆壓源，適用於需要恆壓供電的設備，若切換成第二副邊補償電容ct，則原邊補償電容cp和第二副邊補償電容ct組成pp補償結構輸出表現為恆流源，適用於需要恆流供電的設備；主開關管q1、第一二極體dq1和下拉輔助開關支路4用於實現電能逆變，第一二極體dq1為主開關管q1的反並聯二極體。輔助開關管q2、第二二極體dq2和鉗位電容cc按照電學原理進行電連接組成下拉輔助開關支路4，用於降低主開關管q1漏源兩端的電壓，其中第二二極體dq2為輔助開關管q2的反並聯二極體；輔助開關管q2和主開關管q1開關頻率相同，輔助開關管q2和主開關管q1的導通存在死區，輔助開關管q2的導通時間短，輔助開關管q2的導通損耗較小；第二整流橋5用於把高頻交流電進行整流，第二濾波電容c2用於高頻濾波，等效負載z為容性負載或感性負載；原邊控制電路6包括第一單片機控制電路8、驅動電路9、第一輔助電源10、第一無線通信電路11、第一電壓檢測電路12、遙控器13、第二電壓檢測電路14，原邊控制電路6使主開關管q1和輔助開關管q2實現零電壓開通控制，並使裝置輸出電壓穩定或輸出電流穩定，其中，第一單片機控制電路8根據第一無線通信電路11接收到的通信信號、第一電壓檢測電路12檢測到的主開關管q1的電壓信號及第二電壓檢測電路14檢測到的鉗位電容cc的電壓信號，分別輸出主開關管q1和輔助開關管q2的控制信號，控制信號經驅動電路9隔離放大後驅動主開關管q1和輔助開關管q2；第一輔助電源10為第一單片機控制電路8和驅動電路9供電；第一無線通信電路11接收第二無線通信電路18發出的反饋信號和遙控器13發出的控制信號，第一無線通信電路11向遙控器13發射裝置運行狀態信號；第一電壓檢測電路12用於檢測主開關管q1漏源兩端的電壓；遙控器13根據接收到的第一無線通信電路11發出的裝置運行狀態信號，顯示裝置輸出電壓、輸出電流及是否實現零電壓開通；遙控器13向第一無線通信電路11發射控制信號，使第一單片機控制電路8選擇恆壓控制或恆流控制；第二電壓檢測電路14檢測鉗位電容cc兩端的電壓，當檢測到鉗位電容cc兩端的電壓增加，第一單片機控制電路8把輔助開關管q2的控制信號變為高電平，輔助開關管q2實現零電壓開通，當鉗位電容cc兩端的電壓增加時，原邊電感lp通過第二二極體dq2為鉗位電容cc充電，第二二極體dq2導通，輔助開關管q2漏源兩端的電壓為0，輔助開關管q2，實現零電壓開通；副邊控制電路7由採樣電路15、第二單片機控制電路16、第二輔助電源17及第二無線通信電路18組成，用於給原邊控制電路6發射反饋信號，採樣電路15檢測裝置的輸出電壓和輸出電流；第二單片機控制電路16根據接收到的採樣電路15的信號，控制第二無線通信電路18向第一無線通信電路11發射反饋信號；第二輔助電源17為第二單片機控制電路16供電。

本實施例涉及的帶有下拉輔助開關的icpt裝置的整體工作過程包括以下階段：

t0-t1時段：在t0時刻，主開關管q1的驅動電壓ugs1變為高電平，此時原邊電感lp的電流為負，主開關管q1不導通，原邊電感lp通過第一二極體dq1和第一濾波電容c1續流，主開關管q1漏源兩端的電壓為0，到t1時刻，原邊電感lp的電流變為0，主開關管q1導通，主開關管q1實現零電壓開通；

t1-t2時段：輸入電壓為原邊電感lp充電，原邊電感lp的電流逐漸增加，到t2時刻，主開關管q1的驅動電壓ugs1變為低電平，主開關管q1關斷；

t2-t3時段：原邊補償電容cp為原邊電感lp充電，原邊電感lp的電流繼續增加，到t3時刻，原邊補償電容cp的電壓降為0，原邊電感lp的電流增加到最大；

t3-t4時段：原邊電感lp反向為原邊補償電容cp充電，原邊補償電容cp的電壓反向增大，原邊補償電容cp的電壓加上第一濾波電容c1的電壓小於鉗位電容cc的電壓，第二二極體dq2反向截止，到t4時刻，原邊補償電容cp的電壓加上第一濾波電容c1的電壓大於鉗位電容cc的電壓，第二二極體dq2導通；

t4-t5時段：原邊電感lp同時為原邊補償電容cp和鉗位電容cc充電，鉗位電容cc的電壓逐漸增大，到t5時刻，輔助開關管q2的驅動電壓ugs2變為高電平，但原邊電感lp的電流仍為正，輔助開關管q2不導通；

t5-t6時段：原邊電感lp繼續為原邊補償電容cp和鉗位電容cc充電，第二二極體dq2導通，輔助開關管q2漏源兩端的電壓為0，到t6時刻，原邊電感lp的電流下降為0，原邊補償電容cp的電壓反向增加到最大，同時鉗位電容cc的電壓增加到最大，輔助開關管q2導通，輔助開關管q2實現零電壓開通；

t6-t7時段：原邊補償電容cp和鉗位電容cc同時為原邊電感lp反向充電，到t7時刻，輔助開關管q2的驅動電壓ugs2變為低電平，輔助開關管q2關斷，鉗位電容cc停止為原邊電感lp充電；

t7-t8時段：原邊補償電容cp的電壓降低，原邊電感lp的電流減小，到t8時刻，原邊補償電容cp的電壓變為0；

t8-t9時段：原邊電感lp為原邊補償電容cp反向充電，原邊補償電容cp的電壓逐漸增加，到t9時刻，原邊補償電容cp的電壓增加到與第一濾波電容c1的電壓相等；

t9-t10時段：原邊電感lp通過第一二極體dq1和第一濾波電容c1續流，到t10時刻，主開關管q1的驅動電壓ugs1變為高電平，此時原邊電感lp的電流為負，主開關管q1不導通。