一種新型無線充電發(fā)射端諧振電路的設(shè)計

時間：2022-03-22 01:25:07

關(guān)鍵字：無線充電串聯(lián)諧振 CCL諧振

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[導(dǎo)讀]摘要:無線充電發(fā)射電路通常采用串聯(lián)諧振電路。串聯(lián)諧振也稱電壓諧振,當逆變器直流側(cè)為電壓源時,該電路拓撲能有效提高系統(tǒng)的傳輸功率與效率,但在啟動過程中有時會產(chǎn)生很大的啟動電流,嚴重時可能會燒毀線路,存在很大的安全隱患。為了克服這一缺點,設(shè)計了一款新型的CCL諧振電路。對其進行建模分析發(fā)現(xiàn),當逆變器頻率與元器件參數(shù)滿足一定條件時,CCL諧振電路能近似等效為串聯(lián)諧振電路,同樣具有電壓諧振的優(yōu)點。最后對其進行仿真發(fā)現(xiàn),該電路在啟動時電流平緩上升,不會出現(xiàn)很大的電流跳變,安全性很高。

引言

無線充電是近年來比較熱門的一個話題,因其省去了充電線,使用方便且大大降低了生產(chǎn)成本,開始逐漸滲透到各個領(lǐng)域,特別在小型電器行業(yè)得到了大規(guī)模商用,有著良好的應(yīng)用前景。

無線充電的方式有多種,本文對市面上最常見、技術(shù)最為成熟的電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)進行研究。電磁感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)分為發(fā)射模塊與接收模塊。發(fā)射模塊中的逆變電路將直流電源提供的直流電逆變?yōu)榻涣麟妭魉徒o發(fā)射電路。發(fā)射電路中的電感線圈產(chǎn)生交變磁通傳遞給接收模塊中的接收電路,根據(jù)電磁感應(yīng)原理,接收電路會產(chǎn)生交變感應(yīng)電動勢,經(jīng)過接收模塊中的高頻整流環(huán)節(jié)將交流電變?yōu)橹绷麟姾蠼o電池充電。

無線充電發(fā)射電路多采用諧振電路,因為諧振電路理論上消耗的無功功率為0,極大地提高了電路的功率因數(shù)。常見的諧振電路有串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振電路兩種。串聯(lián)諧振也稱電壓諧振,適用于電壓型逆變電路:并聯(lián)諧振也稱電流諧振,適用于電流型逆變電路。由于市面上大多數(shù)無線充電系統(tǒng)逆變電路的直流側(cè)采用電壓源,所以本文只對串聯(lián)諧振與新型的CCL諧振電路進行對比研究。

1串聯(lián)諧振電路的建模分析

串聯(lián)諧振電路的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。對該電路通入角頻率為0的正弦交流電壓us,電路中流過的電流為i。電阻R、電感L、電容c兩端的電壓分別為uR、uL、uC。

根據(jù)相量法,該電路的輸入阻抗為:

諧振頻率為:

諧振時電感與電容兩端電壓的關(guān)系為:

諧振電路的品質(zhì)因數(shù)0為:

由此可以求得電感與電容兩端的電壓分別為:

由式（3）、式（5）及式（6）可以得到,諧振時電感電壓、電容電壓、電阻電壓及電源電壓四者的關(guān)系為:

由以上分析可知,串聯(lián)諧振電路在諧振時,電路呈純阻性,端電壓與總電流同相,此時等效阻抗最小,總電流最大,在電感和電容上可能產(chǎn)生比電源電壓大很多倍的電壓,因此串聯(lián)諧振也稱電壓諧振,當逆變電路為電壓型時,使用串聯(lián)諧振電路可以極大地提高電路的輸出功率與效率。

2CCL諧振電路的建模分析

CCL諧振電路的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

當電路中通入角頻率為o的正弦交流電壓us時,根據(jù)相量法,該電路的輸入阻抗為:

當滿足如下條件:

這時,該電路的輸入阻抗約為:

與串聯(lián)諧振電路的輸入阻抗形式一致。

CCL諧振電路的諧振頻率約為:

由以上分析可知,當CCL諧振電路滿足式（9）的近似條件并發(fā)生諧振時,電路輸入阻抗的形式與串聯(lián)諧振負載電路一致,可以近似等效為串聯(lián)諧振電路。因此,CCL諧振電路在上述條件下同樣具有電壓諧振的優(yōu)點,當逆變器直流側(cè)為電壓源時同樣可以大大提高電路的輸出功率與效率。

3兩種諧振電路的仿真對比分析

在simulink中分別畫出串聯(lián)諧振與CCL諧振的電路仿真圖,如圖3與圖4所示。