[发明专利]基于磁耦合无线电能传输的直流变压器系统

权利要求书

1.一种基于磁耦合无线电能传输的直流变压器系统，其特征在于，包括：

DC-AC逆变模块，用于将输入直流转变为原边高频交流；

无线电能传输模块，包括原边谐振模块以及副边谐振模块，原边谐振模块接收所述高频交流，并将其转换成强耦合的电磁场发送给副边谐振模块；所述副边谐振模块接收所述的电磁场后又将其转换为副边高频交流；

整流滤波模块，用于将副边高频交流整流转换成直流并滤除高频分量；

直流输入的正负端与DC-AC逆变模块的输入端连接；DC-AC逆变模块的输出端与无线电能传输模块的输入端连接；无线电能传输模块的输出端与整流滤波模块的输入端连接；整流滤波模块得到最终输出的直流电压；所述直流变压器系统还包括：采样监测单元、过零检测单元、驱动模块以及控制模块，所述采样监测单元用于采样并监测DC-AC逆变模块输入端和输出端、以及整流滤波的输出端的电压以及流经的电流；所述过零检测单元用于获取监测到的电压、电流在一个谐振周期经过零点的时刻；所述控制模块用于对DC-AC逆变模块的工作频率以及直流变压器的输出功率进行控制；所述驱动模块受控制模块控制，驱动DC-AC逆变模块中的开关管开通或关断；所述控制模块包括用于判断无线电能传输模块是否处于谐振状态的状态判断单元以及用于在失谐传输时调节DC-AC逆变模块的工作频率使得其与谐振频率相适应的频率修正单元，所述控制模块对DC-AC逆变模块的工作频率进行调节的具体过程为：

(1)状态判断：采样监测单元对DC-AC逆变模块的输入端电压以及电流进行采样监测，并将采样监测结果送入状态判断单元内，采样监测到的输入端电压、电流被通过乘法器以及零值比较器，若电压、电流的乘积大于0，则无线电能传输模块处于谐振状态，此时DC-AC逆变模块的工作频率适应无线电能传输模块的谐振频率；否则，状态判断单元判断无线电能传输模块处于失谐状态，进入步骤(2)；

(2)调节函数建立：过零检测单元计算出DC-AC逆变模块的输入端电压以及电流的过零时刻，并依据该时刻建立频率调节函数，所述频率调节函数为：

U_t＝U_set/γ×√(2×π)×e^((-(π×〖〖[f〗_k×e^|t_j-t_i|-f_z]〗^2)/(2×γ^2)))

式中，U_t电压反馈调节值；f_k为DC-AC逆变模块中开关器件的开关频率；t_i为DC-AC逆变模块的输入电压过零的时刻；t_j为DC-AC逆变模块的输入电流过零的时刻；U_set为已知的电压比较值，代表了与无线电能传输模块的谐振频率相适应的设定电压；γ为频率方差调节因子；f_z为无线电能传输模块的谐振频率；

(3)根据所述频率调节函数，对DC-AC逆变模块中开关器件的开关频率进行调节，使得开关频率回归至与无线电能传输模块的谐振频率相对应的频率；其中，具体对开关器件的开关频率的调节过程为：

1)获取位于无线电能传输模块的谐振频率σ邻域为：〖[f〗_z-σ，f_z+σ]；该邻域的端点频率对应于频率调节函数上的同一个电压反馈调节值，记为参考电压调节值U_ck；

2)设置第i次采样获取得到的DC-AC逆变模块的工作频率为f_ki；并依据该次采样获取到的DC-AC逆变电路输入端的电压、电流过零时刻，计算出第i次调节对应的电压反馈调节值U_ti；依据计算出来的电压反馈调节值U_ti与参考电压调节值U_ck比较，根据第i-1次采样获取得到的DC-AC逆变电路的工作频率f_(k(i-1))与第i次采样获取得到的DC-AC逆变电路的工作频率f_ki比较的相对大小以及电压反馈调节值U_ti与参考电压调节值U_ck的相对大小，不同的比较结果采取不同的策略去更新现有的工作频率f_ki，使得现有的工作频率f_ki向着谐振频率f_z靠近；将更新后的工作频率通过处理触发驱动电路，进行DC-AC逆变模块的频率调整；

3)当计算得到的第i次调节对应的电压反馈调节值U_ti等于电压比较值U_set时，则调节过程结束，实现了DC-AC逆变模块中开关器件的开关频率回归至与无线电能传输模块的谐振频率相对应的频率；否则，继续进行步骤2)。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁耦合无线电能传输的直流变压器系统，其特征在于，所述DC-AC逆变模块为单相全桥逆变电路，包括有两个并联的桥臂，每个桥臂上串联有两个全控型晶体管。