[发明专利]无线电能传输系统E类逆变器ZVS工作的参数设计方法

说明书

本发明公开了一种无线电能传输系统E类逆变器ZVS工作的参数设计方法，首先利用互感模型将接收侧阻抗折算成原边负载等效阻抗，再根据Raab条件计算出E类逆变器的输入扼流电感、开关管并联电容以及原边补偿电容的电气参数，接着借助电路仿真软件对所设计的系统进行仿真实验并观察E类开关管两端的电压波形是否实现软开关开通(ZVS)；若满足软开关开通则设计流程结束，否则可先减小开关管并联电容的电容值，再增大原边补偿电容的电容值，再通过仿真软件观察E类开关管是否实现ZVS，重复上述操作直至E类开关管实现ZVS为止。本发明可以对无线电能传输系统E类逆变器的电容参数进行快速调整，从而使E类开关管工作在ZVS的工作条件下，这有利于减小开关管的开通损耗。

技术领域

本发明涉及无线电能传输系统逆变器设计的技术领域，尤其是指一种能够实现无线电能传输系统E类逆变器ZVS工作的参数设计方法。

背景技术

作为新型电能传输技术，磁耦合谐振式无线电能传输技术MCR-WPT(magneticallycoupled resonant wireless power transmission)凭借其高可靠性、高安全性和高便捷性，在电动汽车、植入式设备、消费电子以及机器人等领域都有着广泛的应用前景。基于E类逆变器的MCR-WPT具有良好的高频特性，这使其能够更好地适应MHz以上的工作频率场景。除此之外，相比其他类型的逆变器，E类逆变器作为MCR-WPT系统的交流电源输入，可以有效简化逆变器的电路结构，在小型MCR-WPT系统中具有广阔的应用前景。

针对于E类逆变器的参数设计，往往只要实现ZVS就可以有效地将逆变器的开关损耗维持在一个较低的水平。目前最常见的设计方法是依据Raab经验公式，该公式提出负载支路的理想阻抗角正切值为49.052°，并给出了E类开关管并联电容和谐振补偿电容的参数设计公式。但在实际设计过程中，由于MCR-WPT往往不是工作在最佳的负载条件下，根据该经验公式设计得到的E类电路往往无法直接满足ZVS，故需要对电容参数进行一步的调整。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种能够实现无线电能传输系统E类逆变器ZVS工作的参数设计方法，可以确保E类逆变器工作在ZVS的工况下，这有利于降低逆变电路的开关损耗。具体表现在：通过Rabb条件计算得到初步的系统元件参数值，在通过电路仿真软件对所设计的系统进行仿真验证，观察E类开关管是否满足ZVS，若不满则通过调整开关管并联电容的电容值和原边补偿电容的电容值的方式，使E类开关管工作在ZVS的工作条件下，进而实现E类开关管的低损耗运行。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：无线电能传输系统E类逆变器ZVS工作的参数设计方法，所述E类逆变器包括直流输入电压源、输入扼流电感、E类开关管、开关管并联电容、原边补偿电容、原边线圈、副边线圈、副边补偿电容和负载电阻，所述直流输入电压源的正极与输入扼流电感相连，所述E类开关管的一端与输入扼流电感相连，另一端与直流电压源的负极相连，所述开关管并联电容两端分别与E类开关管的两端连接，所述原边补偿电容的一端分别与输入扼流电感和E类开关管连接，另一端与原边线圈相连，所述原边线圈和副边线圈通过线圈间的互感形成电磁耦合，所述副边线圈的一端与副边补偿电容一端相连，其另一端与负载电阻一端相连，所述副边补偿电容的另一端与负载电阻另一端相连；所述参数设计方法包括以下步骤：

S1、先利用互感模型将接收侧阻抗折算成原边负载等效阻抗，其计算过程如下：

设定副边线圈的自感值L₂和副边补偿电容的电容值C₂处于完全谐振状态，此时接收侧等效阻抗Z_eq与负载电阻的电阻值R_eq相等，则有Z_eq＝R_eq成立；

设定线圈间的互感为M，系统的角频率为ω，其中ω＝2πf_c，f_c为E类开关管的工作频率，则接收侧折算到原边的负载等效阻抗Z＇_eq为：