[发明专利]一种无线电能传输E类激励源的谐振驱动装置及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及谐振驱动电路应用于磁共振无线电能传输高频激励源的开关管驱动、高频MHz范围内MOSFET的驱动等领域。

背景技术

传统导线供电方式不可避免的会产生传输损耗、线路老化、尖端放电等问题，大大降低了设备供电的可靠性和安全性，缩短了使用寿命。新兴的磁耦合谐振式无线电能传输(WPT)技术于2007年被提出。因具有非辐射性、中等传输距离以及高效率的特性，为无线输电技术的研究开辟了一个新的方向，应用前景广阔。

磁耦合谐振式无线电能传输技术的工作频率达数MHz范围。相较于传统电力电子变换器，频率的大幅提高意味着系统逆变电源的损耗成为系统设计需要重点考虑的方面，然而逆变电源的工作特性受驱动电路的影响较大。驱动功率不足将导致开关管处于线性区的时间增加，其开关损耗将急剧增加，在MHz高频下尤为明显。为了提高激励源高频下的工作效率，一般采用最优占空比为50％的开关型E类功率放大电路。传统的方波驱动电路结构存在功率损耗较大的问题，限制了功率变换器在高开关频率下的应用，已经不能够适用于E类激励源的要求。在MHz的频率范围内，多采用谐振驱动的方式，直接利用栅极输入电容产生驱动信号。现有的驱动电路1(杨晋,蔡丽娟.MOSFET的谐极驱动[J].电源世界,2006(1):44-46.)具有驱动能量可以在充放电转换过程中恢复，降低驱动损耗；V_GS箝位提供快速启动和防止过驱动的优点。但也存在驱动方式复杂，对驱动MOS对管的要求高等不足之处。驱动电路2(沈刚,王华民.利用附加电感实现高频功率MOSFET谐振栅极驱动[J].电气传动,2005,35(1):28-30.)具有较低的功率损耗和较快的开关时间、可以在较高频率下工作的优点。但也存在谐振电感的选取因栅极电容较大而取值较小，且存在易受栅极电容的不准确性和充放电回路寄生电感的影响而无法工作的缺点。

综上所述，上述方波驱动成本高且损耗较大，而现有谐振驱动电路能够实现较高频率的工作要求，但也存在一些不足。因此提出一种简单可靠、能够适用于磁共振WPT激励源MHz频率范围的谐振驱动电路具有重要意义。

发明内容

为了克服磁耦合谐振式无线电能传输激励源驱动电路设计的不足，本发明设计一种结构简单、工作可靠稳定的谐振驱动电路，具体内容如下：

本发明装置的组成包括：集成驱动器1，图腾柱推挽电路2，附加谐振电路3，能量回馈电路4，负压箝位电路5，MOSFET管6。装置的连接关系：集成驱动器1的输出端连接图腾柱推挽电路2的输入端，图腾柱推挽电路2的输出连接附加谐振电路3的输入端，而附加谐振电路3的输出端分别与MOSFET管6的栅极端、能量回馈电路4的输入端、负压箝位电路5的一端相连接于一点，能量回馈电路4的输出端反馈连接至图腾柱推挽电路2，负压箝位电路5的另一端连接与MOSFET管6的源极端，并直接接地。

附加谐振电路3由谐振电感Lr1和Lr2，保护二极管D1和D2组成。二极管D1的阳极连接图腾柱推挽电路2，阴极连接谐振电感Lr1的一端，谐振电感Lr1的另一端分别与谐振电感Lr2的一端和MOSFET管6的栅极端相连接于一点，谐振电感Lr2的另一端与二极管D2的阳极相连接，二极管D2的阴极与图腾柱推挽电路2连接。

能量回馈电路4由二极管D3的阳极与MOSFET管6的栅极端相连接，阴极与图腾柱推挽电路2连接，负压箝位电路5由二极管D4、储能电容C3和稳压管ZD1组成，其中电容C3与稳压管ZD1并联，稳压管ZD1的阴极与MOSFET管6的源极端连接，并直接接地，阳极与二极管D4的阳极相连接，二极管D4的阴极与MOSFET管6的栅极端相连接。

谐振电感Lr1和Lr2的选取原则按照其与输入电容C_ISS的自谐振频率等于驱动信号的工作频率来选取。

集成驱动器1由一个CMOS集成驱动器U1和两个电容C1、C2，供电电源S1组成。集成驱动器U1的供电引脚分别于接供电电源S1和两个电容C1、C2相连接一点，集成驱动器U1的接地引脚直接接地。

图腾柱推挽电路2由PMOS管Q1和NMOS管Q2，以及供电电源S1组成，PMOS管Q1与NMOS管Q2的栅极与集成驱动器U1的输出引脚相连接与一起，PMOS管Q1的源极与供电电源S1、集成驱动器U1的供电引脚、能量回馈二极管D3的阴极相连接与一点，其漏极与附加谐振电路中保护二极管D1的阳极相连，NMOS管Q2的栅极与保护二极管D2的阴极相连，源极直接接地。

谐振驱动装置的工作方法为：