一種非接觸式功率傳輸系統及控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種非接觸式功率傳輸系統及控制方法，系統包括送電端、受電端和控制單元，控制單元包括一個電流控制器和開關信號發生器，電流控制器的反饋輸入端接收經濾波后的高頻逆變器的直流側電流檢測信號，電流控制器的給定輸入端接收所述交流供電電源的電壓檢測信號經絕對值變換和乘以系數G后的信號，所述電流控制器的輸出連接所述開關信號發生器的輸入端，所述開關信號發生器的輸出連接高頻逆變器/高頻整流器功率開關控制端。本發明無需PFC電路即可實現交流供電電源的單位功率因數，降低了系統的復雜性、體積和成本。
【專利說明】
-種非接觸式功率傳輸系統及控制方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種非接觸式功率傳輸系統及控制方法。
【背景技術】
[0002] 非接觸式（或無線）功率傳輸技術使得送電端與受電端之間不通過導線及插頭 (插座）連接，具有用電安全、可靠、方便等一系列優點，特別適合于移動設備充電、電動汽 車充電（供電）W及易燃（爆）及腐蝕性環境場合的設備供電。
[0003] 非接觸式功率傳輸系統由送電端系統和受電端系統組成，其中送電端一般由工頻 整流器、大容量濾波電容器、高頻逆變器、送電線圈及補償單元、W及相應控制單元等組成； 受電端一般由高頻整流器、濾波電容器、受電線圈及補償單元、W及相應控制單元等等組 成，如圖1所示。上述技術方案送電端工頻整流器后采用大容量電容器濾波，使得功率因數 較低。為了提高送電端功率因數，現有技術一般在送電端高頻逆變器之前增加一級功率因 數校正（Power Factor Correction, PFC)電路，如圖Ia所示。但運會增加系統的復雜性和 成本，降低可靠性和功率傳輸效率。
【發明內容】
[0004] 本發明為了解決上述問題，提出了一種非接觸式功率傳輸系統及控制方法，本系 統無需PFC校正電路，具有電路簡單和單位功率因數等優點。 陽〇化]為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0006] 一種非接觸式功率傳輸系統，包括送電端、受電端和控制單元，其中，送電端與受 電端進行電能傳輸，控制單元控制送電端與受電端；
[0007] 所述送電端包括依次相連的交流供電電源、低通濾波器、工頻整流器、高頻逆變 器、補償單元I和送電線圈，所述工頻整流器直流側直接與高頻逆變器直流側相連，二者之 間無功率因數校正電路；
[0008] 所述受電端包括依次相連的受電線圈、補償單元II、高頻整流器和負載；
[0009] 所述控制單元包括一個電流控制器和開關信號發生器，電流控制器的反饋輸入端 接收經濾波后的高頻逆變器的直流側電流檢測信號，電流控制器的給定輸入端接收所述交 流供電電源的電壓檢測信號經絕對值變換和乘W系數G后的信號，所述電流控制器的輸出 連接所述開關信號發生器的輸入端，所述開關信號發生器的輸出連接高頻逆變器和高頻整 流器功率開關控制端。
[0010] 所述工頻整流器和高頻整流器為無源整流器，為四個二極管組成的單相全橋整流 器電路，用于單向非接觸式功率傳輸系統，即功率由所述送電端向所述受電端的負載傳輸。
[0011] 所述工頻整流器和高頻整流器為有源H橋整流器，為四個帶反并聯二極管的功率 開關管組成的H橋變換電路，用于雙向非接觸式功率傳輸系統，即功率可在所述送電端與 所述受電端之間雙向傳輸。
[0012] 所述工頻整流器設有同步整流控制單元，同步整流控制單元包括比較器和反相 器，通過比較器實現對輸入交流電壓的比較，反相器實現邏輯反相；當輸入交流電壓大于O 時，所述比較器輸出邏輯"1"，所述反相器輸出為邏輯"O "。
[0013] 所述高頻逆變器為有源H橋逆變器，為四個帶反并聯二極管的功率開關管組成的 H橋變換電路。
[0014] 所述高頻逆變器為有源半橋逆變器，為兩個帶反并聯二極管的功率開關管組成的 半橋變換電路。
[0015] 一種基于上述系統的控制方法，包括W下步驟：
[0016] (1)檢測送電端高頻逆變器的直流側電流，經濾波處理后得到電流反饋信號送到 控制單元電流控制器的反饋輸入端；
[0017] (2)檢測送電端交流供電電源電壓，經絕對值變換和乘W系數G后得到給定指令 電流信號送到控制單元電流控制器的給定輸入端；
[0018] (3)電流控制器對給定輸入信號和電流反饋信號進行處理輸出控制信號至開關信 號發生器的輸入端，然后由開關信號發生器控制高頻逆變器和高頻整流器的功率開關管， 使電流反饋信號跟蹤給定輸入信號。
[0019] 所述步驟似中，系數G可由所述受電端負載電壓/電流/功率的閉環控制得到。
[0020] 所述步驟（3)中，當功率由所述送電端向受電端傳輸時，開關信號發生器控制高 頻逆變器的功率開關管。
[OOW 所述步驟（3)中，當功率由所述受電端向送電端傳輸時，開關信號發生器控制高 頻整流器的功率開關管。
[0022] 本發明的有益效果為：
[002引 （1)提供了一種非接觸式功率傳輸系統及控制方法，無需PFC電路即可實現交流 供電電源的單位功率因數，降低了系統的復雜性、體積和成本；
[0024] (2)省略了 PFC電路，使系統減少了一級高頻變換環節，降低了開關損耗，提高了 系統變換效率和可靠性；
[0025] (3)可用于各種由交流電源供電的非接觸式功率傳輸系統，如電動汽車非接觸式 充/放電等。
【附圖說明】
[0026] 圖1為現有的不帶PFC電路的非接觸式功率傳輸系統；
[0027] 圖Ia為現有的帶PFC電路的非接觸式功率傳輸系統；
[0028] 圖2為本發明的非接觸式功率傳輸系統；
[0029] 圖3為一種工頻無源整流器拓撲結構；
[0030] 圖3a為一種工頻H橋有源整流器拓撲結構；
[0031] 圖4為圖3a的工頻H橋有源整流器的同步整流控制單元；
[0032] 圖5為一種高頻無源整流器拓撲結構；
[0033] 圖5a為一種高頻H橋有源整流器拓撲結構；
[0034] 圖6為一種高頻H橋逆變器拓撲結構；
[0035] 圖6a為一種高頻半橋逆變器拓撲結構；
[0036] 其中，1、低通濾波器，2、工頻整流器，3、高頻逆變器，4、高頻整流器，5、補償單元I， 6、補償單元11，7、送電線圈，8、受電線圈，9、負載，10、交流供電電源，11、送電端，12、受電 端，13、控制單元，14、電流控制器，15、開關信號發生器，16、濾波電路，17、絕對值變換器， 18、乘法器，19、比較器，20、反相器，21、同步整流控制單元。
【具體實施方式】：
[0037] 下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。
[0038] 如圖2所示，本發明的非接觸式功率傳輸系統圖，它包括送電端11、受電端12和 控制單元13,其中送電端11包括交流供電電源10、低通濾波器1、工頻整流器2、高頻逆變 器3、送電線圈7及補償單元I 5;受電端包括高頻整流器4、受電線圈8及補償單元II 6、 負載9等。其特征是，所述工頻整流器2直流側直接與高頻逆變器直流側相連，二者之間無 功率因數校正電路。所述控制單元13至少包括一個電流控制器14和開關信號發生器15， 所述高頻逆變器3的直流側電流檢測信號id經濾波電路16濾波后得到《連接所述電流控 制器14的反饋輸入端，所述交流供電電源10電壓檢測信號Ug經絕對值變換器17變換后得 k I，乘W系數G后得到給定指令電流信號皆^連接所述電流控制器14的給定輸入端，所述 電流控制器14的輸出F連接所述開關信號發生器15的輸入端，開關信號發生器15的輸出 K連接所述高頻逆變器3/高頻整流器4的功率開關控制端。
[0039] 圖3給出了一種工頻整流器2的工頻無源整流器電路結構圖，包括四個二極管 Zl~Z4,組成公知的單相全橋整流器電路。
[0040] 圖3a給出了一種工頻整流器2的工頻有源H橋整流器電路結構圖，包括四個帶反 并聯二極管的功率開關管Ql~Q4,組成公知的H橋變換電路。
[0041] 圖4給出了的工頻有源H橋整流器2的同步整流控制單元21，通過比較器19實現 對輸入交流電壓的比較，反相器20實現邏輯反相。當輸入交流電壓Ug大于0時，所述比較 器19輸出邏輯"1"，所述反相器20輸出為邏輯"0"，控制圖3a所示的有源H橋整流器的開 關管Ql和Q4導通，Q2和Q3截止，反之，當輸入交流電壓u/h于0時，所述比較器19輸出 邏輯"0"，所述反相器20輸出為邏輯"1"，控制圖3a所示的有源H橋整流器的開關管Q2和 Q3導通，Ql和Q4截止。
[0042] 圖5給出了一種高頻整流器4的高頻無源整流器電路結構圖，包括四個二極管 巧~Z8,組成公知的單相全橋整流器電路。
[0043] 圖5a給出了一種高頻整流器4的高頻有源H橋整流器電路結構圖，包括四個帶反 并聯二極管的功率開關管Q5~Q8,組成公知的H橋變換電路。
[0044] 圖6給出了一種高頻逆變器3的H橋逆變器電路結構圖，包括四個帶反并聯二極 管的功率開關管Sl~S4,組成公知的H橋變換電路。
[0045] 圖6a給出了一種高頻逆變器3的半橋逆變器電路結構圖，包括兩個帶反并聯二極 管的功率開關管Sl~S2,組成公知的半橋變換電路。 陽046] 實施例1 :
[0047] 圖2中的工頻整流器2由圖3實現，高頻逆變器3由圖6所示的H橋逆變器實現， 高頻整流器4由圖5實現，就構成一種單向非接觸式功率傳輸系統主電路拓撲，功率只能進 行正向傳輸，即功率由送電端11的交流供電電源10向受電端12的負載9傳輸（或者圖2 中功率由左側向右側傳輸），所述開關信號發生器15的輸出K連接圖6所述高頻逆變器3 的功率開關管Sl~S4的控制端。 引實施例2 :
[0049] 將實施例1中的高頻逆變器3改由圖6a所示的半橋逆變器實現，就構成另一種單 向非接觸式功率傳輸系統主電路拓撲，所述開關信號發生器15的輸出K連接圖6a所述高 頻逆變器3的功率開關管Sl~S2的控制端。
[0050] 實施例3 :
[0051] 圖2中的工頻整流器2由圖3a實現，高頻逆變器3由圖6所示的H橋逆變器實現， 高頻整流器4由圖5a實現，就構成一種雙向非接觸式功率傳輸系統主電路拓撲，功率可進 行正向和反向傳輸。當進行正向功率傳輸時，功率由送電端11的交流供電電源10向受電 端12的負載9傳輸（或者圖2中功率由左側向右側傳輸），此時，所述開關信號發生器15 的輸出K連接圖6所述高頻逆變器3的功率開關管Sl~S4的控制端，工頻整流器2和高 頻整流器4都工作在整流狀態（即功率開關管處于截止狀態），高頻逆變器3處于高頻逆變 狀態。當進行反向功率傳輸時，功率由受電端12的負載9向送電端11的交流供電電源10 傳輸（或者圖2中功率由右側向左側傳輸），此時，所述開關信號發生器15的輸出K連接圖 5所述高頻整流器4的功率開關管Q5~Q8的控制端，高頻整流器4工作在高頻逆變狀態， 工頻整流器2處于同步整流狀態，其功率開關管Ql~Q4由圖4的同步整流控制單元21控 審IJ，高頻逆變器3處于高頻整流狀態（即功率開關管Sl~S4處于截止狀態）。
[0052] 上述實施例中，所述電流控制器14的作用最終是控制所述交流供電電源10的輸 出電流is為與電源電壓U調頻、同/反相、同形狀的交流電流或為與電源電壓U調頻、同/ 反相的正弦電流，使所述非接觸式功率傳輸系統保持單位功率因數。
[0053] 上述實施例中，控制單元13的系數G可由電位器進行調節，也可由所述受電端11 負載9的電壓/電流/功率的閉環控制得到。
[0054] 上述雖然結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發明保護范 圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不 需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍W內。
【主權項】
1. 一種非接觸式功率傳輸系統，包括送電端、受電端和控制單元，其中，送電端與受電 端進行電能傳輸，控制單元控制送電端與受電端； 所述送電端包括依次相連的交流供電電源、低通濾波器、工頻整流器、高頻逆變器、補 償單元I和送電線圈，所述工頻整流器直流側直接與高頻逆變器直流側相連，二者之間無 功率因數校正電路； 所述受電端包括依次相連的受電線圈、補償單元II、高頻整流器和負載； 其特征是：所述控制單元包括一個電流控制器和開關信號發生器，電流控制器的反饋 輸入端接收經濾波后的高頻逆變器的直流側電流檢測信號，電流控制器的給定輸入端接收 所述交流供電電源的電壓檢測信號經絕對值變換和乘以系數G后的信號，所述電流控制器 的輸出連接所述開關信號發生器的輸入端，所述開關信號發生器的輸出連接高頻逆變器和 尚頻整流器功率開關控制端。2. 如權利要求1所述的一種非接觸式功率傳輸系統，其特征是：所述工頻整流器和高 頻整流器為無源整流器，為四個二極管組成的單相全橋整流器電路，用于單向非接觸式功 率傳輸系統，即功率由所述送電端向所述受電端的負載傳輸。3. 如權利要求1所述的一種非接觸式功率傳輸系統，其特征是：所述工頻整流器和高 頻整流器為有源Η橋整流器，為四個帶反并聯二極管的功率開關管組成的Η橋變換電路，用 于雙向非接觸式功率傳輸系統，即功率可在所述送電端與所述受電端之間雙向傳輸。4. 如權利要求1所述的一種非接觸式功率傳輸系統，其特征是：所述工頻整流器設有 同步整流控制單元，同步整流控制單元包括比較器和反相器，通過比較器實現對輸入交流 電壓的比較，反相器實現邏輯反相；當輸入交流電壓大于0時，所述比較器輸出邏輯" 1"，所 述反相器輸出為邏輯"0"。5. 如權利要求1所述的一種非接觸式功率傳輸系統，其特征是：所述高頻逆變器為有 源Η橋逆變器，為四個帶反并聯二極管的功率開關管組成的Η橋變換電路。6. 如權利要求1所述的一種非接觸式功率傳輸系統，其特征是：所述高頻逆變器為有 源半橋逆變器，為兩個帶反并聯二極管的功率開關管組成的半橋變換電路。7. -種基于如權利要求1-6中任一項所述的系統的控制方法，其特征是：包括以下步 驟： (1) 檢測送電端高頻逆變器的直流側電流，經濾波處理后得到電流反饋信號送到控制 單元電流控制器的反饋輸入端； (2) 檢測送電端交流供電電源電壓，經絕對值變換和乘以系數G后得到給定指令電流 信號送到控制單元電流控制器的給定輸入端； (3) 電流控制器對給定輸入信號和電流反饋信號進行處理輸出控制信號至開關信號發 生器的輸入端，然后由開關信號發生器控制高頻逆變器和高頻整流器的功率開關管，使電 流反饋信號跟蹤給定輸入信號。8. 如權利要求7所述的控制方法，其特征是：所述步驟（2)中，系數G可由所述受電端 負載電壓/電流/功率的閉環控制得到。9. 如權利要求7所述的控制方法，其特征是：所述步驟（3)中，當功率由所述送電端向 受電端傳輸時，開關信號發生器控制高頻逆變器的功率開關管； 所述步驟（3)中，當功率由所述受電端向送電端傳輸時，開關信號發生器控制高頻整 流器的功率開關管。
【文檔編號】H02J3/18GK105846549SQ201510015953
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年1月13日
【發明人】王廣柱
【申請人】山東大學