[发明专利]一种新型AC-DC-AC变换器及其控制方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明所述的一种新型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，本发明提供一种新型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；

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。