[发明专利]一种用于无线电能传输的电流馈电式半桥谐振拓扑结构

权利要求书

1.一种用于无线电能传输的电流馈电式半桥谐振拓扑结构，其特征在于：包括发射端和接收端，所述发射端包括准电流源、半桥电路逆变器和CLC谐振网络，所述准电流源通过所述半桥电路逆变器与所述CLC谐振网络相连，所述接收端包括谐振电路和倍压器电路，所述谐振电路与所述倍压器电路相连，所述CLC谐振网络包括第一电容、第二电容和发射线圈，所述第二电容与所述发射线圈串联后与所述第一电容并联，所述谐振电路包括与所述发射线圈配合的接收线圈以及与所述接收线圈电连接的第三电容，所述准电流源包括直流电源、第一直流电感和第二直流电感，所述第一直流电感和第二直流电感相互并联且均与所述直流电源串联，所述第一直流电感和第二直流电感之间没有耦合，所述半桥电路逆变器包括第一场效应管，第二场效应管，第一二极管和第二二极管，所述第一场效应管的漏极与所述第一直流电感相连，所述第一场效应管的源极与所述第一二极管的正极相连，所述第二场效应管的漏极与所述第二直流电感相连，所述第二场效应管的源极与所述第二二极管的正极相连，所述第一二极管、第二二极管的负极均与所述直流电源的负极相连，所述第一电容正极与所述第一场效应管的漏极相连，所述第一电容负极与所述第二场效应管的漏极相连，保持逆变器输出功率因数滞后，无论负载电流如何，始终保证逆变器开关的软开关导通，开关的占空比固定为0.5，改变逆变器开关频率以达到所需的输出功率，选择第一电容和第二电容的值，使半桥电路逆变器向CLC谐振网络输入方波电流，发射端的组件被设计成使半桥电路逆变器输出端电流I_i对于给定输出功率是最小值，并选择第三电容的值，使得倍压器电路输入端电压为最大值，

利用拓扑结构的等效电路进行验证，应用功率平衡原理，由于基波分量，有功功率在接收端流动，交流侧倍压器电路输入端电压V_r与倍压器电路输出端电压V₀有关系如下：

由于二极管的被动整流，倍压器电路输入端电压V_r和接收线圈电流I₂是同相的，接收线圈电流I₂或倍压器电路输入端电压V_r的相位被指定为参考相位，在发射端网络中应用基尔霍夫电流定律KCL，半桥电路逆变器输出端电流I_i是发射线圈电流I₁和经过第一电容的电流I_P之和

其中，M是发射线圈和接收线圈之间的互感，j为虚数单位，ω为角频率，C_p第一电容，C_s为第二电容，L₁为发射线圈电感，V_i为半桥电路逆变器输出端电压，在接收端应用基尔霍夫电压定律KVL，倍压器电路输入端电压V_r为

其中，L₂为接收线圈电感，C₂为第三电容，

选择第一电容C_p和第二电容C_s的值，使半桥电路逆变器向CLC谐振网络输入方波电流，发射端的组件被设计成使半桥电路逆变器输出端电流I_i对于给定输出功率是最小值，并且选择第三电容C₂，倍压器电路输入端电压V_r为最大值，根据公式(2)和(3)，所需电容的计算为

其中，ω₀₁为发射线圈共振频率，ω₀₂接收线圈共振频率，

通过使半桥电路逆变器开关频率ω₀(＝2πf₀)、发射线圈共振频率ω₀₁和接收线圈共振频率ω₀₂相等来实现有效的功率传输，将KVL应用在接收端回路中，发射线圈电流I₁计算为

其中，V₀为倍压器电路输出端电压，ω₀为半桥电路逆变器开关频率，j和M的意思同上，

在发射端应用KVL和KCL，运用公式(4)和(5)，发射线圈和两个串联电容之间的电压的均方根RMS值为

其中，V₁为发射线圈两端电压，V_s为第二电容两端电压，I₀为倍压器电路输出端电流，V₀、L₁、ω₀、C_s、j和M的意思同上，

可以得出半桥电路逆变器输出端电压V_i和电流I_i为

其中，C_p，I₀，V₀，L₁，ω₀，C_s，j和M的意思同上，

从公式(8)和(9)得到半桥电路逆变器的输出功率因数为

其中，为电流的相角，为电压的相角，ω₀、M、I₀、V₀、L₁、C_s和C_p的意思同上，

半桥电路逆变器开关电流的RMS值直接取决于输入的直流电流I_d，半桥电路逆变器开关和二极管的峰值阻断电压的大小也与半桥电路逆变器峰值输出电压相同，可以得出半桥电路逆变器开关和二极管的电压和电流的额定值

其中，V_i为半桥电路逆变器输出端电压，I_d为输入的直流电流，I_S1为半桥电路逆变器开关S1的额定电流值，I_S2为半桥电路逆变器开关S2的额定电流值，I_D3为第三二极管D3的额定电流值，I_D4为第四二极管D4的额定电流值，为半桥电路逆变器开关S1的峰值反向阻断电压，为半桥电路逆变器开关S2的峰值反向阻断电压，

将开关的占空比固定为0.5，改变逆变器开关频率以达到所需的输出功率，逆变器输出端的阻抗，即输入到发射端谐振网络中的阻抗Z_i为

其中，R_e为倍压器电路输入端的等效负载电阻，j、ω、M、L₁、L₂和C_p的意思同上，并且其推导公式为

其中，I₀、V₀意思同上，R₀为倍压器电路输出端的等效负载电阻，

根据式(2)，半桥电路逆变器输出的有功功率P_inv为

其中，I_i、R_e、Z_i、和I_d意思同上。