一種用于無線電能傳輸的高倍頻逆變電路的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于無線電能傳輸技術領域，具體涉及一種用于無線電能傳輸的高倍頻逆 變電路。
【背景技術】
[0002] 隨著現代信息技術的飛速發展，越來越多的移動設備、便攜設備和植入設備在人 們生活中獲得廣泛應用，這些產品包括在消費電子領域的手機、筆記本電腦，醫療儀器領域 的植入式醫療設備以及電動汽車等。然而，這些可移動設備的供電問題是當今需要解決的 重要問題之一。傳統的有線輸電方式存在電線摩擦、老化等問題，影響用電設備的壽命和用 電安全。此外，有線方式不能滿足一些特殊應用場合的需要，如植入式醫療設備的充電。無 線電能傳輸方式可以很好地解決這些問題，由于其利用電磁場耦合進行無線輸電，不僅省 去電線和插座，還使得電能利用更加靈活、寬廣。
[0003] 無線電能傳輸主要有三種基本方式：電磁感應耦合方式、非輻射磁共振耦合方式、 微波福射方式。微波福射方式，在功率較大時會對人體和生物造成傷害而具有很大的局限 性。因此，電磁感應耦合方式和非輻射磁共振耦合方式是無線電能傳輸的主要實現方式。這 兩種方式在具體實現時，均需要將直流電源通過高頻逆變器轉化為高頻交流電，再經由無 線電能發射電路進行電能發射。
[0004] 高頻逆變電路產生的交流電頻率，決定無線電能傳輸的品質因數。通常，頻率越 高，品質因數越大，傳輸效率越高。傳統橋式逆變電路受限于功率半導體器件的開關頻率， 輸出交流電頻率等于開關頻率。而開關頻率受限于開關損耗和半導體器件的物理極限，不 能任意增大。所以，無線電能傳輸的品質因數和效率受到工作頻率無法大幅提高的限制。
[0005]
【發明內容】
[0006] 針對現有技術所存在的上述技術問題，本發明提供了一種用于無線電能傳輸的高 倍頻逆變電路，能夠在開關頻率不變的情況下，輸出開關頻率n倍頻的交流電，避免了現有 高頻逆變電路在倍頻數n很大時，驅動脈沖占空比過小而導致開關管無法正常輸出脈沖的 問題。
[0007] -種用于無線電能傳輸的高倍頻逆變電路，包括：
[0008] 兩個幅值相等的直流電壓源El~E2;其中，直流電壓源El的負極與直流電壓源 E2的正極相連并接地，直流電壓源El的正極與直流電壓源E2的負極之間產生直流電壓；
[0009] n組相互并聯的開關橋臂；所述的開關橋臂由兩個開關管串聯組成，其利用所述 的直流電壓通過開關動作產生方波功率信號，所述的兩個開關管串聯后連接于直流電壓源 El正極與直流電壓源E2負極之間；n為預設的目標倍頻數且為奇數；
[0010] 控制電路，用于為n組開關橋臂對應提供n對開關驅動信號；
[0011] 由n個電感組成的電感器，用于將n路方波功率信號進行疊加倍頻，產生一路n倍 頻的方波功率信號；所述電感的一端與對應開關橋臂中兩個開關管的串聯接點相連，各電 感的另一端共連并作為電感器的公共接點；
[0012] 諧振電容器，用于與所述的電感器進行串聯諧振，并對n倍頻的方波功率信號中 的基波分量進行提取及放大，得到一路n倍頻的正弦功率信號用以通過耦合無線傳輸；所 述諧振電容器的一端與電感器的公共接點相連，另一端接地。
[0013] 進一步地，所述的控制電路由DSP和驅動模塊組成，所述的驅動模塊將DSP產生的 n對開關驅動信號進行功率放大后，對應提供給n組開關橋臂。
[0014] 進一步地，所述的開關驅動信號為占空比為1/2的方波信號。
[0015] 進一步地，相鄰兩對開關驅動信號的相位差為2 JT /n，每對開關驅動信號內的兩個 開關驅動信號的相位差為JT。
[0016] 進一步地，所述開關橋臂產生的方波功率信號的占空比為1/2,相鄰兩個開關橋臂 產生的方波功率信號的相位差為2 /n。
[0017] 進一步地，所述的諧振電容器與電感器發生串聯諧振，其諧振頻率為n倍頻的方 波功率信號的基波頻率，等效諧振電阻為線路以及電感的內阻，諧振電感值為L/n，L為電 感的感值。
[0018] 本發明疊加倍頻的原理如下：
[0019] 開關橋臂中點產生的n個占空比為1/2的方波功率信號，相位相差2 JT/n，n為奇 數；n個方波功率信號的傅立葉級數形式為：
[0024] 其中：xn為第n個方波功率信號，E為方波幅值，即直流電壓源幅值，《 ^為方波功 率信號的基波角頻率；
[0025] 由于每路開關橋臂的輸出電感器均要與其他n-1個并聯電感器進行分壓，每路開 關橋臂中點的方波功率信號作用于電感器公共接點的有效方波幅值衰減為原幅值的1/n， 表示為：
[0027] 其中：xn'為第n個開關橋臂作用于電感器公共接點的有效方波幅值；
[0028] 設所有n路開關橋臂作用于電感器公共接點處有效方波的疊加和為y，根據傅立 葉級數形式可知，疊加和y僅保留了有效方波的n的奇數倍次諧波，消掉了其他次諧波，得 到n倍頻的方波功率信號，表示為：
[0030] n倍頻的方波功率信號作用于諧振電容器上，由于諧振電容器與n個并聯的電感 在n〇V頻率點發生串聯諧振，諧振電容兩端放大并提取出n倍頻方波功率信號的基波分 量，即5倍頻的正弦功率信號，表示為：
[0033] 其中：u。為諧振電容兩端電壓，A為串聯諧振的電壓放大系數，C為諧振電容值，R 為串聯諧振的等效諧振電阻。
[0034] 本發明的有益技術效果在于：
[0035] (1)本發明通過多橋臂移相的方式，生成具有一定相位差的方波功率信號并進行 疊加輸出，基于傅立葉級數分析，實現了逆變輸出頻率為開關頻率的n倍（n為奇數）的效 果，從而解決了傳統橋式逆變電路的輸出頻率受限于開關頻率的問題。
[0036] (2)與現有高頻逆變電路相比，本發明基于頻域的傅里葉分解和疊加原理實現高 倍頻輸出，采用了不同的拓撲連接，保證了在任意倍頻數n下驅動脈沖占空比均為1/2,避 免了現有高頻逆變電路在倍頻數n很大時，驅動脈沖占空比過小而導致開關管無法正常輸 出脈沖的問題。
[0037] (3)本發明應用于無線電能傳輸的輸入端時，由于其輸出交流頻率可以大大提高， 因而可以增大無線電能傳輸系統的品質因數，進而提高電能傳輸效率；同時，也可在實現既 定品質因數的條件下，減小無線電能傳輸系統中的電感器、電容器的體積。
[0038] (4)本發明由于采用多路橋臂實現方波功率信號的生成，在輸出功率一定時，降 低了每路橋臂NMOS管的電流應力，因此可以選擇容量更小的NMOS管，降低對功率半導體器 件的要求；同時，相同的功率分配到多路橋臂，避免了熱損耗的集中，使得散熱更加均勻。
【附圖說明】
[0039] 圖1為本發明高倍頻逆變電路的結構示意圖。
[0040] 圖2為五倍頻逆變電路的電路原理圖。
[0041] 圖3(a)~圖3(e)分別為五倍頻逆變電路中5個橋臂的中點電壓波形示意圖。
[0042] 圖3(f)為五倍頻逆變電路的輸出電壓波形示意圖。
【具體實施方式】
[0043] 為了更為具體地描述本發明，下面結合附圖及【具體實施方式】對本發明的技術方案 進行詳細說明。
[0044] 如圖1和圖2所示，本發明用于無線電能傳輸的高倍頻逆變電路，包括兩個幅值為 E的直流電壓源、控制電路101、n個開關橋臂102、n個電感器103、諧振電容器104 ;其中， n為目