[发明专利]一种基于超声波式非电气接触电能传输的门极驱动电源

说明书

本发明属于非电气接触电能传输技术领域，公开了一种基于超声波式非电气接触电能传输的门极驱动电源，高频逆变电路用于将直流电源输出的直流电压逆变为高频电压，发射侧阻抗补偿电路用于将高频电压阻抗补偿后生成高频电信号传输至能量转换与传输单元；驱动电路用于为高频逆变电路提供驱动信号；能量发射换能器将高频电信号转换为同频的能量超声波，并通过传输介质进行传输，能量接收换能器将接收到的能量超声波还原为高频电信号；传输介质为柱状非金属固体；阻抗补偿电路对高频电信号进行阻抗补偿，整流电路将高频电信号整流为直流电压。

技术领域

本发明属于非电气接触电能传输技术领域，尤其涉及一种基于超声波式非电气接触电能传输的门极驱动电源。

背景技术

模块化多电平换流器由多个半桥或全桥模块组成，近来得到了广泛研究。模块化多电平换流技术可以显著降低开关应力和输出电压的谐波含量，且已经在中高压大功率变换中进行了工程化应用。但是，对于模块化多电平换流器来说，所有开关器件的门极驱动电路都由同一电源供电，加在开关器件上的电压最高可达母线电压，故为每个全桥模块门极驱动电路供电的电源与驱动电路之间须有很强的隔离和绝缘。目前，主要采用干式绕线型变压器为全桥模块门极驱动电路和驱动电源之间提供隔离和绝缘。这种方式的不足之处在于变压器中有磁心，因此电磁兼容性差。在模块化多电平换流器中，存在大量开关器件和电气元件，电磁环境十分复杂，因此工作时会对变压器中的磁心造成影响。

为了消除磁心的影响，有的学者采用无磁心的电磁感应式无线电能传输技术设计了门极驱动电路隔离供电电源。无线电能传输技术指的是不使用直接接触的导线进行电能有效传输的技术。当使用电磁感应式无线电能传输技术进行电能传输时，在发射侧，直流电压经高频逆变后传输给发射线圈以建立高频磁场；在接收侧，接收线圈将接收到的电能处理后给负载使用。发射线圈和接收线圈之间是空气，因此在避免使用磁心的同时保障了隔离和绝缘。但是，电磁感应式无线电能传输技术主要依靠电磁场传输能量，在电磁环境复杂的模块化多电平换流器中使用电磁感应式无线电能传输技术为门极驱动电路进行供电，电磁安全性仍会受到影响。

发明内容

基于以上研究现状，本发明提出采用超声波式非电气接触式电能传输技术为门极驱动电路供电的方案。超声波式非电气接触式电能传输技术是一种新型的电能传输技术，该技术以超声波作为间接能量进行电能有效传输，在发射侧，发射换能器将电能转化为超声波能量并通过介质进行传输；在接收侧，接收换能器将接收到的超声波能量再次转化为电能后给负载使用。超声波式非电气接触电能传输技术以超声波为间接能量进行电能传输，超声波是一种机械波而非电磁波，所以不会受到周围电磁环境的影响。这样，使用超声波式非电气接触电能传输技术可以在保证绝缘和隔离强度的前提下为驱动电路安全可靠地提供所需电能。在本发明中，通过闭环控制电路保证了接收侧输出电压的稳定，采用了一个发射侧同时为多个接收侧负载供电，发射侧和接收侧以及不同的接收侧之间均能保持隔离和绝缘。

一种基于超声波式非电气接触电能传输的门极驱动电源，包括：发射侧激励单元、能量转换与传输单元和接收侧调理单元；

所述发射侧激励单元包括：依次相连的直流电源、高频逆变电路、发射侧阻抗补偿电路和与高频逆变电路相连的驱动电路；所述高频逆变电路用于将直流电源输出的直流电压逆变为高频电压，所述发射侧阻抗补偿电路用于将高频电压阻抗补偿后生成高频电压传输至能量转换与传输单元；所述驱动电路用于为高频逆变电路提供驱动信号；

所述能量转换与传输单元包括：传输介质和分别安装在传输介质两侧的能量发射换能器和能量接收换能器；所述能量发射换能器将高频电压转换为同频的能量超声波，并通过传输介质进行传输，所述能量接收换能器将接收到的能量超声波还原为高频电压；所述传输介质为柱状非金属固体；

所述接收侧调理单元包括：阻抗补偿电路和整流电路；所述阻抗补偿电路对高频电压进行阻抗补偿，所述整流电路将高频电压整流为直流电压。

进一步，所述能量发射换能器与能量接收换能器的工作频率相同，且所述能量发射换能器与能量接收换能器同轴安装于传输介质两侧。