一種非接觸供電的軟開關控制方法及軟開關控制電路的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種非接觸供電的軟開關控制方法及軟開關控制電路，軟開關控制方法首先通過對非接觸電能傳輸系統全橋諧振電路的輸出電壓、電流的檢測和計算得到相位差，然后通過采樣比較電路和鎖相環電路對逆變其的驅動頻率進行調整，主控制芯片的主要作用是在系統上電階段，產生一段時延的硬開關脈沖以完成系統起振，經過一段暫態過程后，使得逆變輸出電壓、電流的相位差為零，從而實現全橋諧振電路的零電壓開通和零電流關斷。本發明采用的電路簡單，非接觸電能傳輸過程中實現了開關管的軟開關。即的零電壓開通和零電流關斷，減小了開關管的損耗，減小了損耗，提高了效率，工作穩定可靠，故障率低。
【專利說明】一種非接觸供電的軟開關控制方法及軟開關控制電路
【技術領域】
[0001]本發明屬于功率變換領域和于高頻開關電源領域，涉及到非接觸供電系統，具體是一種非接觸供電的軟開關控制電路及軟開關控制方法。
【背景技術】
[0002]在非接觸電能傳輸系統中，為了獲得最大的傳輸功率和最大傳輸效率，在工作過程中由于補償電容的不同和負載的變化，會使諧振電路的固有諧振頻率發生偏移，導致傳輸功率和傳輸效率迅速降低。
[0003]目前，非接觸電能傳輸控制電路一般采用全橋硬開關的控制方式，損耗大，開關器件容易損壞，不適合在非接觸電能傳輸領域。如圖1所示，傳統的全橋軟開關技術是移相技術，該控制技術由專門的控制芯片發出四路驅動波形，圖1所示為全橋的拓撲，由左上，右上，左下，右下四個開關管組成，每個驅動波形的脈寬一定，左上與右下的驅動波形錯開一定角度，右上與左下的驅動波形錯開一定的角度，上管與下管有一定的死區時間，通過這種方法來實現軟開關控制。這種控制方式的缺陷是空載環流損耗大，帶大幅在后占空比丟失嚴重，整機的效率無法進一步提高，專門的控制芯片相應的成本也比較高。
[0004]在國內關于這方面的研究主要有以下兩種控制方法:
[0005]第一種控制方法是利用分段控制方法來調節控制脈沖的移相角，解決多負載切換過程中原邊回路的電流變化問題，但此控制方法復雜，沒有實際應用。
[0006]第二種控制方法是利用相控電感的動態調諧方式實時調節原邊回路的等效固有頻率，從而保證系統工作諧振頻率的穩定，以實現最大功率傳輸，但相控電感的控制算法過于復雜，這種控制方法也沒有實際應用。
【發明內容】
[0007]本發明所要解決的問題在于，克服現有技術的不足，提供一種非接觸電能傳輸的軟開關控制電路，電路的原理是:根據補償電容的不同和負載的變換，在非接觸電能傳輸過程中實現了開關管的軟開關，即實現開關管的零電流關斷和零電壓開通，保證非接觸電能傳輸系統最大的傳輸功率和最大傳輸效率，電壓(電流)波形接近正弦，電磁干擾小，使整個系統簡單，干擾小，工作穩定可靠。
[0008]為了解決上述問題，本發明采取的技術方案如下:
[0009]一種非接觸供電的軟開關控制方法，其步驟包括:
[0010]1)檢測非接觸電能傳輸系統全橋諧振電路的輸出電壓和/或電流，計算得到電壓和或電流相位差；驅動電路發出驅動信號產生脈沖信號；
[0011]2)根據采樣電路檢測得到非接觸電能傳輸系統中感應耦合器原邊電流，將該所述原邊電流信號與驅動電路發出的驅動信號同時輸入到鎖相環電路信號輸入端；
[0012]3)將所述鎖相環的鎖相頻率設置為非接觸傳輸系統的諧振頻率；
[0013]4)在所述非接觸電能傳輸系統上電階段，主控制芯片產生一段時延的硬開關脈沖完成系統起振，經過暫態過程使得逆變輸出電壓和/或電流的相位差為零。
[0014]更進一步，主控制芯片在系統上電階段，產生一段時延的硬開關脈沖以完成系統起振，當原邊電流信號頻率與控制信號頻率一致時，鎖相環電路會輸出一個軟開關信號給主控制芯片，這時電路工作在軟開關狀態。
[0015]更進一步，當輸出負載變化所述原邊電流信號頻率與驅動信號頻率不一致時，所述鎖相環電路用于輸出一個不是軟開關的信號給主控制芯片，在主控制芯片繼續產生一段時延的硬開關脈沖以完成系統起振，直到原邊電流信號頻率和驅動信號一致，這時整個電路重新工作在軟開關狀態。
[0016]更進一步，當逆變輸出電壓和/或電流的相位差為零時，所述非接觸電能傳輸系統達到最大傳輸功率。
[0017]更進一步，當逆變輸出電壓和/或電流的相位差為零時，所述非接觸電能傳輸系統達到最大傳輸效率。
[0018]本發明還提出一種非接觸供電的軟開關控制電路，其特征在于，包括非接觸電能傳輸系統、采樣電路單元、鎖相環電路單元、驅動電路單元以及主控制芯片，
[0019]所述非接觸電能傳輸系統用于提供非接觸電能傳輸系統全橋諧振電路的輸出電壓和/或電流；
[0020]所述采樣電路單元用于檢測并計算得到電壓和/或電流相位差；同時用于測得到非接觸電能傳輸系統中感應耦合器原邊電流；并將該所述原邊電流信號與驅動電路發出的驅動信號同時輸入到鎖相環電路單元信號輸入端；
[0021]所述鎖相環電路單元用于接收到采樣電路的輸入信號將所述鎖相環的鎖相頻率設置為非接觸傳輸系統的諧振頻率；
[0022]所述驅動電路單元用于在電路中發出驅動信號產生脈沖信號；
[0023]所述主控制芯片在所述非接觸電能傳輸系統上電階段，用于產生一段時延的硬開關脈沖完成系統起振，經過暫態過程使得逆變輸出電壓和/或電流的相位差為零。
[0024]本發明具有的有益效果:
[0025]1、本發明提供的非接觸電能傳輸的軟開關控制電路，首先通過對非接觸電能傳輸系統全橋諧振電路的輸出電壓、電流的檢測和計算得到相位差，然后通過采樣比較電路和鎖相環電路對逆變其的驅動頻率進行調整，主控制芯片的主要作用是在系統上電階段，產生一段時延的硬開關脈沖以完成系統起振，經過一段暫態過程后，使得逆變輸出電壓、電流的相位差為零，從而實現全橋諧振電路的零電壓開通和零電流關斷。本發明對全橋諧振電路的輸出電壓，電流和驅動頻率進行檢測，實現了初級發射單元和次級拾取單元之間可以相互分離并且旋轉，軟開關控制電路全部由硬件電路實現，不需要復雜的控制算法；不僅對負載變化具有自適應控制能力，而且對逆變輸出后的所有元器件參數的變化都具有調節作用，保證系統始終工作在諧振狀態，使輸出功率和傳輸效率保持最大。只需對電路的輸出電壓、電流的檢測和計算得到相位差，可以使非接觸傳輸系統的原邊和副邊工作在最大的傳輸功率和最大的傳輸效率，提高的電源的效率，減小了損耗，減小了器件開關過程中產生的電磁干擾，提高非接觸傳輸系統的效率。
[0026]2、本發在硬件中加入了死區時間，保證全橋的上下橋臂不會出現直通的現象，提高了系統的可靠性。結構簡單，成本低，性能穩定。【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1是現有技術中的全橋拓撲結構；
[0028]圖2是本發明的電流采樣電路；
[0029]圖3是本發明的鎖相環控制電路；
[0030]圖4是本發明的軟開關電路示意圖；
[0031]圖5是本發明軟開關電路的工作時序圖
【具體實施方式】
[0032]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，可以理解的是，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0033]在本發明的一實施例中明提供了一種非接觸供電的軟開關控制電路，首先通過對非接觸電能傳輸系統全橋諧振電路的輸出電壓、電流的檢測和計算得到相位差，然后通過采樣比較電路和鎖相環電路對逆變的驅動頻率進行調整，主控制芯片的主要作用是在系統上電階段，產生一段時延的硬開關脈沖以完成系統起振，經過一段暫態過程后，使得逆變輸出電壓、電流的相位差為零，從而實現全橋諧振電路的零電壓開通和零電流關斷。本發明提供的軟開關技術是使功率變換器得以高頻化的重要技術之一，它應用諧振的原理，使開關器件中的電流(或電壓)按正弦或準正弦規律變化。軟開關電路在原電路中增加了小電感、電容等諧振元件，構成輔助換流網絡，在開關過程前后引入諧振過程，開關開通前電壓降為0，關斷前電流降為0，以消除電壓、電流的重疊，降低了電壓和電流的變化率，減小了開關損耗和開關噪聲。
[0034]通過電流采樣電路檢測得到非接觸電能傳輸系統中感應耦合器原邊電流，將該原邊電流信號與驅動電路發出的驅動信號同時輸入到鎖相環電路信號輸入端，將鎖相環的鎖相頻率設置為非接觸傳輸系統的諧振頻率，主控制芯片在系統上電階段，產生一段時延的硬開關脈沖以完成系統起振，當原邊電流信號頻率與控制信號頻率一致時，鎖相環電路會輸出一個軟開關信號給主控制芯片，這時電路工作在軟開關狀態。當輸出負載變化時，原邊電流信號頻率與驅動信號頻率不一致時，鎖相環電路會輸出一個不是軟開關的信號給主控制芯片，主控制芯片繼續產生一段時延的硬開關脈沖以完成系統起振，直到原邊電流信號頻率和驅動信號一致，這時整個電路重新工作在軟開關狀態。
[0035]在本發明的一實施例中根據補償電容的不同和負載的變換，在非接觸電能傳輸過程中實現了開關管的軟開關。本發明的控制芯片第1腳與電阻R16 —引腳、電容C6的一引腳相連，控制芯片的第3腳與第4腳相連、集成電路與門U3A的2腳相連、集成電路或非門的5腳相連,控制芯片的第5腳與第8腳相連、電阻R11 —引腳相連、電阻R12 —引腳相連、電容C7的一引腳相連，控制芯片的第6腳和第7腳分別與電容C5的兩個引腳相連，控制芯片的第9腳與電阻R10的一引腳相連、電容C7的另一引腳相連，控制芯片的第11腳與電阻R11的另一引腳相連，控制芯片的第12腳與電阻R12的另一引腳相連，控制芯片的第13腳與電阻R10的另一引腳相連，控制芯片的第14腳是電流信號的輸入端，控制芯片的第16腳是芯片的供電輸入端。電阻R16的另一引腳與電阻R13的一引腳相連、電阻R17的一引腳相連，電阻R17與三極管Q1的基極相連，電阻R18的一引腳與三極管Q1的集電極相連，集成電路Ml的第4腳與第9腳相連，集成電路U3的第3腳與集成電路Ml的第12腳相連，電阻R14—引腳與集成電路Ml第10腳相連，并輸出“左上”和“右下”驅動信號來控制開關管Q1，Q4，電阻R15—引腳與集成電路第13相連，并輸出“左下”和“右上”驅動信號來控制開關管Q2，Q3。
[0036]如圖2和圖3所示，非接觸供電的軟開關控制電路，首先通過對非接觸電能傳輸系統全橋諧振電路的輸出電壓、電流的檢測和計算得到相位差，然后通過采樣比較電路和鎖相環電路對逆變的驅動頻率進行調整，主控制芯片的主要作用是在系統上電階段，產生一段時延的硬開關脈沖以完成系統起振，經過一段暫態過程后，使得逆變輸出電壓、電流的相位差為零，從而實現全橋諧振電路的零電壓開通和零電流關斷。
[0037]圖4是本發明的軟開關電路示意圖；
[0038]軟開關技術軟開關技術是使功率變換器得以高頻化的重要技術之一，它應用諧振的原理，使開關器件中的電流(或電壓)按正弦或準正弦規律變化。軟開關電路在原電路中增加了小電感、電容等諧振元件，構成輔助換流網絡，在開關過程前后引入諧振過程，開關開通前電壓降為0，關斷前電流降為0，以消除電壓、電流的重疊，降低了電壓和電流的變化率，減小了開關損耗和開關噪聲。
[0039]通過電流采樣電路檢測得到非接觸電能傳輸系統中感應耦合器原邊電流，將該原邊電流信號與驅動電路發出的驅動信號同時輸入到鎖相環電路信號輸入段，將鎖相環的鎖相頻率設置為非接觸傳輸系統的諧振頻率，主控制芯片在系統上電階段，產生一段時延的硬開關脈沖以完成系統起振，當原邊電流信號頻率與控制信號頻率一致時，鎖相環電路會輸出一個軟開關信號給主控制芯片，這時電路工作在軟開關狀態。當輸出負載變化時，原邊電流信號頻率與驅動信號頻率不一致時，鎖相環電路會輸出一個不是軟開關的信號給主控制芯片，主控制芯片繼續產生一段時延的硬開關脈沖以完成系統起振，直到原邊電流信號頻率和驅動信號一致，這時整個電路重新工作在軟開關狀態。
[0040]當輸出負載變化時，原邊電流信號頻率與驅動信號頻率不一致時，鎖相環電路會輸出一個不是軟開關的信號給主控制芯片，主控制芯片繼續產生一段時延的硬開關脈沖以完成系統起振，直到原邊電流信號頻率和驅動信號一致，如圖5所示。這時整個電路重新工作在軟開關狀態。
【權利要求】
1.一種非接觸供電的軟開關控制方法，其步驟包括:1)檢測非接觸電能傳輸系統全橋諧振電路的輸出電壓和/或電流，計算得到電壓和/或電流相位差；驅動電路發出驅動信號產生輸入脈沖信號；2)根據采樣電路檢測得到非接觸電能傳輸系統中感應耦合器原邊電流，將該所述原邊電流信號與驅動電路發出的驅動信號同時輸入到鎖相環電路信號輸入端；3)將所述鎖相環的鎖相頻率設置為非接觸傳輸系統的諧振頻率；4)在所述非接觸電能傳輸系統上電階段，主控制芯片產生一段時延的硬開關脈沖完成系統起振，經過暫態過程使得逆變輸出電壓和/或電流的相位差為零。
2.如權利要求1所述的非接觸供電的軟開關控制方法，其特征在于，主控制芯片在系統上電階段，產生一段時延的硬開關脈沖以完成系統起振，當原邊電流信號頻率與控制信號頻率一致時，鎖相環電路會輸出一個軟開關信號給主控制芯片，這時電路工作在軟開關狀態。
3.如權利要求1所述的非接觸供電的軟開關控制方法，其特征在于，當輸出負載變化所述原邊電流信號頻率與驅動信號頻率不一致時，所述鎖相環電路用于輸出一個不是軟開關的信號給主控制芯片，在主控制芯片繼續產生一段時延的硬開關脈沖以完成系統起振，直到原邊電流信號頻率和驅動信號一致，這時整個電路重新工作在軟開關狀態。
4.如權利要求1所述的非接觸供電的軟開關控制方法，其特征在于，當逆變輸出電壓和/或電流的相位差為零時，所述非接觸電能傳輸系統達到最大傳輸功率。
5.如權利要求1所述的非接觸供電的軟開關控制方法，其特征在于，當逆變輸出電壓和/或電流的相位差為零時，所述非接觸電能傳輸系統達到最大傳輸效率。
6.一種非接觸供電的軟開關控制電路，其特征在于，包括非接觸電能傳輸系統、采樣電路單元、鎖相環電路單元、驅動電路單元以及主控制芯片，所述非接觸電能傳輸系統用于提供非接觸電能傳輸系統全橋諧振電路的輸出電壓和/或電流；所述采樣電路單元用于檢測并計算得到電壓和/或電流相位差；同時用于測得到非接觸電能傳輸系統中感應耦合器原邊電流；并將該所述原邊電流信號與驅動電路發出的驅動信號同時輸入到鎖相環電路單兀信號輸入端；所述鎖相環電路單元用于接收到采樣電路的輸入信號將所述鎖相環的鎖相頻率設置為非接觸傳輸系統的諧振頻率；所述驅動電路單元用于在電路中發出驅動信號產生脈沖信號；所述主控制芯片在所述非接觸電能傳輸系統上電階段，用于產生一段時延的硬開關脈沖完成系統起振，經過暫態過程使得逆變輸出電壓和/或電流的相位差為零。
【文檔編號】H02M7/48GK103684005SQ201310456137
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月29日 優先權日:2013年9月29日
【發明者】高濤, 朱強, 陳京誼, 劉曉剛, 馮丹, 趙學蕓, 李敬, 陳睿, 馮磊, 詹雙豪 申請人:航天科工慣性技術有限公司