[发明专利]减小谐振式无线电能传输系统原边侧逆变器损耗的方法

权利要求书

1.一种减小谐振式无线电能传输系统原边侧逆变器损耗的方法，应用所述方法的谐振式无线电能传输系统由能量发射侧，即原边侧系统与能量接收侧，即副边侧系统构成；原边侧系统包括直流电压源、DC-AC逆变器以及原边线圈系统，副边侧系统包括副边线圈系统、AC-DC整流器、滤波电容和负载；在原边侧系统中，直流电压源级联DC-AC逆变器，而后级联原边线圈系统；其中，DC-AC逆变器由S₁-S₄四个N型MOSFET构成，d₁-d₄为四个N型MOSFET的体二极管；原边线圈系统由原边补偿电感L₁和与之串联的原边补偿电容C₁构成；第一开关管S₁的漏电极分四路，分别与电源正极、第一体二极管d₁的阴极、开关管S₁的漏电极以及第二体二极管d₂的阴极连接；第一体二极管d₁的阳极分两路，分别与原边补偿电容C₁的正极以及第三开关管S₃的漏电极连接；第二体二极管d₂的阳极与第四开关管S₄的漏电极连接；第一开关管S₁的源极分四路，分别与原边补偿电容C₁的正极、第一体二极管d₁的阳极、第三开关管S₃的漏电极以及第三体二极管d₃的阴极连接；第二开关管S₂的源极分三路，分别与第二体二极管d₂的阳极、第四体二极管d₄的阴极、原边补偿电感L₁的负极以及第四开关管S₄的漏电极连接；第三体二极管d₃的阳极分两路，分别与第三开关管S₃的源极以及直流电源负极连接；第四体二极管d₄的阳极分两路，分别与第四开关管S₄的源极以及直流电源负极连接；第三开关管S₃的源极分四路，分别与第三体二极管d₃的阳极、第四开关管S₄的源极、第四体二极管d₄的阳极以及直流电源负极连接；第四开关管S₄的源极分四路，分别与第四体二极管d₄的阳极、第三体二极管d₃的阳极、第三开关管S₃的源极以及直流电源负极连接；原边补偿电容C₁的一端分四路，分别与第一开关管S₁的源极、第一体二极管d₁的阳极、第三开关管S₃的漏电极以及第三体二极管d₃的阴极连接；原边补偿电容C₁的另一端与原边补偿电感L₁连接；原边补偿电感L₁的一端分四路，分别与第二开关管S₂的源极、第二体二极管d₂的阳极、第四开关管S₄的漏电极以及第四体二极管d₄的阴极连接；原边补偿电感L₁的另一端与原边补偿电容C₁连接；在副边侧系统中，副边线圈系统级联AC-DC整流器而后级联接滤波电容和负载；副边电感L₂的一端与补偿电容C₂连接，另一端分两路，分别与第一二极管D₁的阳极以及第三二极管的阴极连接；补偿电容C₂的一端与副边电感L₂连接，补偿电容C₂的另一端分为两路，分别与第二二极管D₂的阳极以及第四二极管D₄的阴极连接；第一二极管D₁的阴极分三路，分别与第二二极管D₂的阴极、滤波电容C_filter以及负载电阻R连接，第一二极管D₁的阳极与第三二极管D₃的阴极连接；第二二极管D₂的阴极分三路，分别与第一二极管D₁的阴极、滤波电容C_filter以及负载电阻R连接，第二二极管D₂的阳极与第四二极管D₄的阴极连接；滤波电容C_filter与负载电阻R并联形成并联支路，该并联支路的一端连接第一二极管D₁与第四二极管D₄的阴极，另一端连接第三二极管D₃与第四二极管D₄的阴极，

其特征在于，所述的方法为：一方面调整驱动频率以实现原边侧逆变器输出电流在死区时间之前或之后换向，减小DC-AC逆变器的开通或关断损耗；另一方面通过对驱动频率进行精确计算，降低因驱动频率调整对谐振式无线电能传输系统系统输出性能的影响；

实现原边侧逆变器输出电流在死区时间之前或之后换向调整驱动频率，包括微增驱动频率，创造原边DC-AC逆变器输入阻抗呈感性状态的条件，实现输出电流在死区时间结束后过零点，以及微降驱动频率，创造原边DC-AC逆变器输入阻抗呈容性状态的条件，实现输出电流在死区时间前过零点两种调整策略，具体如下：

(1)当驱动频率ω_d大于谐振频率ω_r，基于谐振式无线电能传输系统原边DC-AC逆变器输入阻抗呈感性状态，并使原边DC-AC逆变器输出电流在死区时间结束后过零点；在输入阻抗呈感性状态下，通过分析原边DC-AC逆变器开关管工作原理和变换器输出电压电流相位，明确DC-AC逆变器开通和关断损耗状态；

1)定义为驱动频率大于谐振频率时，死区时间的开始时刻；在之前：第一开关管S₁和第四开关管S₄开通，第二开关管S₂和第三开关管S₃关断，此时原边DC-AC逆变器输出电压U₁和原边线圈电流I₁均为正向，由于LC谐振电路中的原边补偿电容C₁开始放电，原边线圈电流I₁幅值开始下降；

2)定义为驱动频率大于谐振频率时，死区时间的开始时刻；定义为驱动频率大于谐振频率时，死区时间的结束时刻；当时，第一开关管S₁和第四开关管S₄关断，进入死区时间，原边DC-AC逆变器输出电压U₁为负，但由于驱动频率大于谐振频率使得基于谐振式无线电能传输系统输入阻抗呈感性，因此电流会落后电压，导致原边线圈电流I₁依旧为正，继续下降但未过零点，为构成电流回路，此时第二体二极管d₂和第三体二极管d₃导通；死区时间结束后，第二开关管S₂和第三开关管S₃在t₂时导通，但由于第二开关管S₂和第三开关管S₃导通前电流己通过第二体二极管d₂和第第三体二极管d₃构成回路，第二开关管S₂和第三开关管S₃在电压为零时开通，削减了开通损耗；

3)定义为驱动频率大于谐振频率时，死区时间的结束时刻；定义为驱动频率大于谐振频率时，下一个死区时间的开始时刻；当时：第二开关管S₂和第三开关管S₃处于开通状态，原边DC-AC逆变器输出电压U₁和原边线圈电流I₁均为负；由于LC谐振电路电感和电容之间的能量交互，导致原边线圈电流I₁反向后幅值先增大后降低，但是由于DC-AC逆变器的输入阻抗呈感性导致电流落后电压，因此在第二开关管S₂和第三开关管S₃关断之前，电流不能过零点，使得第二开关管S₂和第三开关管S₃在t₃时仍会产生关断损耗；

(2)当驱动频率小于谐振频率，原边DC-AC逆变器输入阻抗呈容性状态并使原边DC-AC逆变器输出电流在死区时间前过零点；在输入阻抗呈感性状态下，通过分析原边DC-AC逆变器开关管工作原理和变换器输出电压电流相位，明确DC-AC逆变器开通和关断损耗状态；

1)定义为驱动频率小于谐振频率时，原边侧电流过零点的时刻或者极性改变的时刻；在之前：第一开关管S₁和第四开关管S₄开通，第二开关管S₂和第三开关管S₃关断，此时原边DC-AC逆变器输出电压U₁和原边线圈电流I₁均为正向，由于LC谐振电路中原边补偿电容C₁开始放电，原边线圈电流I₁幅值开始下降；

2)定义为驱动频率小于谐振频率时，原边侧电流过零点的时刻或者极性改变的时刻；定义为驱动频率小于谐振频率时，死区时间的开始时刻；时原边线圈电流I₁幅值下降至零，但DC-AC逆变器未进入死区时间，之后，由于电流反向，为构成电流回路，第一开关管S₁和第四开关管S₄反向导通，原边线圈电压U₁为正，原边线圈电流I₁为负；

3)定义为驱动频率小于谐振频率时，死区时间的结束时刻；定义为驱动频率小于谐振频率时，下一个原边侧电流过零点的时刻或者极性改变的时刻；时，第二开关管S₂和第三开关管S₃开通，由于开通前第二开关管S₂和第三开关管S₃的开关管和体二极管均处于关断状态，第二开关管S₂和第三开关管S₃仍会产生开通损耗；

通过计算驱动频率，降低因驱动频率调整对谐振式无线电能传输系统系统输出性能影响，方法如下：

当系统驱动频率ω_d不等于谐振频ω_r率时会影响系统的输出功率，为减小调整驱动频率对系统功率等级的影响，需精准调整驱动频率，使得原边DC-AC逆变器的输出电流过零点处刚好是移出死区时间；

根据不同的谐振式无线电能传输系统的线圈系统设计、负载电阻值大小以及原边DC-AC逆变器死区时间设置，原边DC-AC逆变器输出电压电流的相位须满足公式(1)和公式(2)：

其中，t为死区时间，T为开关频率周期，φ为原边DC-AC逆变器输出电压电流的相角差，α为相角差φ的余弦值的大小；

当驱动频率ω_d不等于系统谐振频率ω_r时，原边DC-AC逆变器的输入阻抗的相位差通过公式(3)至公式(6)求得：

其中，α为相角差φ的余弦值的大小，U₁为原边DC-AC逆变器输出电压，I₁为流经原边线圈电流；Z₁为原边侧输入阻抗，Z₂为副边侧输入阻抗，Z_in为谐振式无线电能传输系统的输入阻抗，由原边侧输入阻抗Z₁及副边侧反射阻抗构成，R与X分别为输入阻抗的实部分量和虚部分量；R₁与R₂分别为原边线圈电阻和副边线圈电阻，R_L为负载电阻，L₁、C₁分别为原边补偿电感与原边补偿电容，L₂、C₂分别为副边线圈电感与副边侧补偿电容，M₁₂为原副边线圈间的互感值，ω_d为系统的驱动频率；

为简化计算，假设原边和副边线圈电阻值R₁和R₂可忽略不计，此时，公式(5)和公式(6)可简化为公式(7)和公式(8)：

其中，R与X分别为输入阻抗的实部分量和虚部分量，L₁、C₁分别为原边补偿电感与原边补偿电容的大小，L₂、C₂分别为副边线圈电感与副边侧补偿电容，M₁₂为原副边线圈间的互感值，ω_d为系统的驱动频率；

为最小化对线圈能量传递效率和容量的影响，驱动频率须接近谐振频率，此外，由于DC-AC逆变器的死区时间相对开关周期很小，驱动频率仅须进行微调即可满足所需的原边线圈电压U₁和原边线圈电流I₁的相位关系，因此公式(9)成立；

此时，公式(7)和公式(8)进一步简化如公式(10)和公式(11)所示：

其中，R与X分别为输入阻抗的实部分量和虚部分量，L₁、C₁分别为原边补偿电感与原边补偿电容，L₂、C₂分别为副边线圈电感与副边侧补偿电容，M₁₂为原副边线圈间的互感值，ω_d为系统的驱动频率；

通过公式(12)至公式(13)可知，驱动频率ω_d与原副边线圈间的互感值M₁₂、原边补偿电感L₁、原边补偿电容C₁、负载电阻R_L、死区时间t和开关频率周期T密切相关；通过求解公式(5)和公式(11)得到驱动频率，该驱动频率为正好使得原边DC-AC逆变器输出电流I₁移出输出电压U₁的死区时间范围的驱动频率；

其中，α为相角差φ的余弦值的大小，β为驱动频率ω_d的平方值，R_L为负载电阻大小，L₁、C₁分别为原边补偿电感与原边补偿电容，L₂、C₂分别为副边线圈电感与副边侧补偿电容，M₁₂为原副边线圈间的互感值，ω_d为系统的驱动频率。