[发明专利]一种用于无线电能传输的高倍频逆变电路

说明书

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种用于无线电能传输的高倍频逆变电路。

背景技术

随着现代信息技术的飞速发展，越来越多的移动设备、便携设备和植入设备在人们生活中获得广泛应用，这些产品包括在消费电子领域的手机、笔记本电脑，医疗仪器领域的植入式医疗设备以及电动汽车等。然而，这些可移动设备的供电问题是当今需要解决的重要问题之一。传统的有线输电方式存在电线摩擦、老化等问题，影响用电设备的寿命和用电安全。此外，有线方式不能满足一些特殊应用场合的需要，如植入式医疗设备的充电。无线电能传输方式可以很好地解决这些问题，由于其利用电磁场耦合进行无线输电，不仅省去电线和插座，还使得电能利用更加灵活、宽广。

无线电能传输主要有三种基本方式：电磁感应耦合方式、非辐射磁共振耦合方式、微波辐射方式。微波辐射方式，在功率较大时会对人体和生物造成伤害而具有很大的局限性。因此，电磁感应耦合方式和非辐射磁共振耦合方式是无线电能传输的主要实现方式。这两种方式在具体实现时，均需要将直流电源通过高频逆变器转化为高频交流电，再经由无线电能发射电路进行电能发射。

高频逆变电路产生的交流电频率，决定无线电能传输的品质因数。通常，频率越高，品质因数越大，传输效率越高。传统桥式逆变电路受限于功率半导体器件的开关频率，输出交流电频率等于开关频率。而开关频率受限于开关损耗和半导体器件的物理极限，不能任意增大。所以，无线电能传输的品质因数和效率受到工作频率无法大幅提高的限制。

公开号为CN102857134A的中国专利提出了一种无线电能传输装置的高频逆变电源及其倍频控制方法，该高频逆变电源由n个逆变单元并联构成，每套逆变单元的工作频率相同，且每套逆变单元内的驱动脉冲占空比小于或者等于1/(2n)，n个逆变单元依次工作1/n个开关周期，各个逆变单元驱动脉冲依次滞后360/n度，以此实现高频逆变电源的输出电压频率或电流频率为每个逆变单元的n倍，实现n倍频逆变器。但这种方法有一定局限性：由于其控制方法要求每套逆变单元内的驱动脉冲占空比小于或者等于1/(2n)，导致随着倍频数n的增大，脉宽时间减小，当脉宽时间减小到等于或小于逆变单元内开关器件的开通和关断时间时，逆变单元将无法正常输出脉冲，该方法将失效；这种控制方法对占空比的要求的根本原因是，采用了每个逆变单元并联的拓扑结构，将n个逆变单元的输出取或运算，在时域上对脉冲进行移相拼接，实现总的倍频输出。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种用于无线电能传输的高倍频逆变电路，能够在开关频率不变的情况下，输出开关频率n倍频的交流电，避免了现有高频逆变电路在倍频数n很大时，驱动脉冲占空比过小而导致开关管无法正常输出脉冲的问题。

一种用于无线电能传输的高倍频逆变电路，包括：

两个幅值相等的直流电压源E1～E2；其中，直流电压源E1的负极与直流电压源E2的正极相连并接地，直流电压源E1的正极与直流电压源E2的负极之间产生直流电压；

n组相互并联的开关桥臂；所述的开关桥臂由两个开关管串联组成，其利用所述的直流电压通过开关动作产生方波功率信号，所述的两个开关管串联后连接于直流电压源E1正极与直流电压源E2负极之间；n为预设的目标倍频数且为奇数；

控制电路，用于为n组开关桥臂对应提供n对开关驱动信号；

由n个电感组成的电感器，用于将n路方波功率信号进行叠加倍频，产生一路n倍频的方波功率信号；所述电感的一端与对应开关桥臂中两个开关管的串联接点相连，各电感的另一端共连并作为电感器的公共接点；

谐振电容器，用于与所述的电感器进行串联谐振，并对n倍频的方波功率信号中的基波分量进行提取及放大，得到一路n倍频的正弦功率信号用以通过耦合无线传输；所述谐振电容器的一端与电感器的公共接点相连，另一端接地。

进一步地，所述的控制电路由DSP和驱动模块组成，所述的驱动模块将DSP产生的n对开关驱动信号进行功率放大后，对应提供给n组开关桥臂。

进一步地，所述的开关驱动信号为占空比为1/2的方波信号。

进一步地，相邻两对开关驱动信号的相位差为2π/n，每对开关驱动信号内的两个开关驱动信号的相位差为π。

进一步地，所述开关桥臂产生的方波功率信号的占空比为1/2，相邻两个开关桥臂产生的方波功率信号的相位差为2π/n。