具有電感耦合集成的e類逆變器功率合成拓撲的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于無線電能傳輸領域，具體地，本發明涉及一種具有電感耦合集成的E類逆變器功率合成拓撲。
【背景技術】
[0002] 無線電能傳輸技術由于具有安全、可靠、環境適用性強等有點，正受到越來越多的 關注。隨著新能源汽車以及智能終端等領域的發展，無線電能傳輸技術將具有廣闊的應用 前景。高頻逆變器作為磁耦合諧振式無線電能傳輸系統的重要組成部分，其效率及頻率特 性對于系統性能有直接影響。E類逆變器電路由于具有高頻高效性，是近、中距離無線電能 傳輸系統的首選逆變拓撲之一。因此，對其進行改進具有重要意義。
[0003] 為了在有載品質因數較高情況下實現較寬的頻率工作范圍，現有的一種解決方案 是使用可變電感或電容器件來實現逆變器的動態調諧，即利用磁芯的非線性工作區，實現 逆變器輸出電感的等效感值可控，從而實現工作頻率的調節。采用電容矩陣來實現工作頻 率的條件。由此可見，上述的現有技術方案雖然能夠實現逆變器工作頻率的擴展，但是其控 制復雜。不僅沒有降低元件的損耗，同時其引入的控制電路也消耗的部分功率。
[0004] 為了實現多路E類逆變器電路的功率合成輸出，在現有的負載固定的射頻微波應 用中，通常可以使用功率合成器來實現，如威爾金森電橋等。但是，無線電能傳輸系統的負 載阻抗往往隨著工況的不同而變化。因此，用于射頻微波應用的功率合成方案并不能直接 用于磁耦合諧振式無線電能傳輸系統。有一種雙E類逆變拓撲，但是其逆變拓撲僅能等效 實現兩倍于單個E類逆變器電路的輸出功率，而不能正在實現多個E類逆變器電路的功率 合成。此外，該拓撲是用于感應加熱領域，不能直接用于磁耦合諧振式無線電能傳輸系統。
[0005] 在傳統的E類逆變器電路中，為了獲得正弦度較好的輸出波形，需要提高其有載 品質因數。但是，隨著有載品質因數的提高，逆變器對于諧振參數，如電感、電容、頻率等的 變化越來越敏感。這使得E類逆變器電路可工作的頻率范圍非常窄，不利于其在多諧振環 節的情況下正常工作，如磁耦合諧振式的無線電能傳輸系統。同時，有載品質因數的提高需 要以提高器件無功容量為代價，這使得電感器件的損耗增加，不利于逆變器效率的提高。此 外，有載品質因數過高也不利于逆變器的軟開關實現。
【發明內容】
[0006] 為實現上述目的，本發明提供了一種具有電感耦合集成的E類逆變器功率合成拓 撲。本發明使得逆變器可以在很低的有載品質因數（低于1)情況下工作，使得其可以適應 電感參數、電容參數、以及工作頻率的大幅（正負20% )變化；同時還降低了電感器件的損 耗，提高了逆變器效率；本發明所提出的拓撲實現了多路E類逆變器的功率合成輸出，有助 于解決現有E類逆變器輸出功率等級較低的問題。
[0007] 為達到上述技術效果，本發明的技術方案是：
[0008] -種具有電感耦合集成的E類逆變器功率合成拓撲，包括η路E類逆變器電路單 元，其中η為自然數，E類逆變器電路單元之間并聯設置；每路E類逆變器電路單元包括兩 路逆變器電路；每路E類逆變器電路包括輸入電感，輸入電感連接有開關管、第一電容和第 二電容，第二電容連接有輸出電感，輸出電感與負載電路相連，輸入電感與電源連接；每路 E類逆變器電路單元中的E類逆變器電路并聯設置。
[0009] 進一步的改進，η= 1。
[0010] 進一步的改進，所述負載電路包括負載，負載通過第七電容連接有發射線圈；負載 連接有第一線圈和第三電容，第一線圈連接有第四電容和第一路Ε類逆變器電路的輸入電 感，第四電容連接第三電容、第一路Ε類逆變器電路的第一電容和第一路Ε類逆變器電路的 開關管；發射線圈連接有第二線圈和第五電容，第二線圈連接有第六電容和第二路Ε類逆 變器電路的輸入電感，第六電容連接第五電容、第二路Ε類逆變器電路的第一電容和第二 路Ε類逆變器電路的開關管。
[0011] 進一步的改進，將2路Ε類逆變器電路的輸入電感分別纏繞在中柱開氣隙的ΕΕ型 磁芯上或將2路Ε類逆變器電路的輸出電感分別纏繞在中柱開氣隙的ΕΕ型磁芯上，ΕΕ型 磁芯上中柱氣隙的氣隙磁阻是邊柱氣隙的氣隙磁阻2倍。
[0012] 本發明降低了Ε類逆變器的等效有載品質因數，使得逆變器正常工作的頻率范圍 大大提高，同時還降低了電感器件的損耗，提高了逆變器效率。通過將耦合電感引入到Ε類 逆變器的輸入及輸出電感，使得逆變器有載品質因數低于現有的技術方案，同時其輸入及 輸出波形的諧波含量降低，實現與傳統高有載品質Ε類逆變器相同的輸出波形。
[0013] 此外，現有的Ε類逆變器由于其開關管的壓降峰值數倍于輸入直流電壓，因此單 個Ε類逆變器的輸出功率較低。本發明中所提出的拓撲實現了多路Ε類逆變器的功率合成 輸出，有助于解決現有Ε類逆變器輸出功率等級較低的問題。
【附圖說明】：
[0014] 圖1為實施例1的電路圖；
[0015] 圖2為實施例2的原理示意圖；
[0016] 圖3為本發明逆變器電路輸入電感電流與傳統方案的對比圖；
[0017] 圖4為本發明逆變器電路輸出電感電流與傳統方案的對比。
【具體實施方式】
[0018] 下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行詳細的說明。
[0019] 實施例1
[0020] 如圖1所示為本發明具有電感耦合集成的Ε類逆變器功率合成拓撲的一個應用案 例，包括兩路Ε類逆變器電路，Ε類逆變器電路包括輸入電感Ld，輸入電感W連接有開關管 Si、第一電容Cf和第二電容C。，第二電容C。連接有輸出電感L。2，輸出電感U與負載電路相 連，輸入電感與電源V。。連接電路用于磁耦合諧振式無線電能傳輸系統，Lp為其發射線圈， 4作為接收端的負載。兩路E類逆變器電路的開關管S1驅動信號互補、占空比均為50%， 兩路逆變器的輸出電壓基波相位相反。通過開關管S1的周期性動作，該逆變拓撲實現了將 直流電V。。轉換為交流電輸出。第四電容C4和第一線圈Lπ1及第六電容C4和第二線圈Lπ2 分別構成了一個跨導，以保證發射線圈上的交流電流幅值恒定。第一電容Cf是逆變器的并 聯電感，其值的選取與現有技術方案相同。根據不同的應用場景，輸出端連接的負載電路可 根據需要進行選擇，本實施例提供的一種負載電路連接方式為：負載電路包括負載4，負載 4通過第七電容L7連接有發射線圈Lp;負載Z1^連接有第一線圈Lπi和第三電容L3，第一線 圈Lπi連接有第四電容L4和第一路E類逆變器電路的輸入電感，第四電容L4連接第三電容 L3、第一路E類逆變器電路的第一電容和第一路E類逆變器電路的開關管；發射線圈連接有 第二線圈和第五電容，第二線圈連接有第六電容和第二路E類逆變器電路的輸入電感，第 六電容連接第五電容、第二路E