[发明专利]全波输出的单管逆变器、无线电能传输系统及其控制方法

权利要求书

1.全波输出的单管逆变器，其特征在于：包括直流电源V_DC、电感L_f、电容C_f、电感L_p、电容C_p、NMOS管Q、PWM信号发生器，所述电感L_f、所述电容C_p、所述NMOS管Q顺序串联在所述直流电源V_DC的正极端和负极端之间，且所述NMOS管Q的S极连接所述直流电源的负极端并接地，所述电感L_p并联在所述电容C_p的两端，所述电容C_f并联在所述NMOS管Q的S极和D极之间，所述NMOS管Q的G极连接所述PWM信号发生器，所述PWM信号发生器用于产生占空比为A的PWM信号。

2.根据权利要求1所述的全波输出的单管逆变器，其特征在于，所述电感L_f与所述电容C_f之间的输入谐振角频率ω_f满足：

ω_f＝λω₀

λ∈[1.3,1.5]为调节系数，ω₀为所述NMOS管Q的开关角频率。

3.根据权利要求2所述的全波输出的单管逆变器，其特征在于，所述电感L_p用于与接收端的电感L_s进行磁耦合，所述电感L_f、所述电容C_f、所述电感L_p、所述电容C_p的参数满足：

其中，ω＝ω₀表示整个全波输出的单管逆变器的谐振角频率，R_P表示所述电感L_p的等效串联电阻，M表示所述电感L_p与所述电感L_s之间的互感，Z_s表示所述接收端的等效阻抗。

4.根据权利要求1所述的全波输出的单管逆变器，其特征在于：将所述NMOS管Q的位置与所述电容C_p的位置对调，所述电感L_p与所述电容C_f的位置对调。

5.根据权利要求1所述的全波输出的单管逆变器，其特征在于：所述NMOS管Q采用增强型NMOS管；A＝0.5。

6.根据权利要求1或2或4或5所述的全波输出的单管逆变器，其特征在于，该电路还包括负载电阻R，所述负载电阻R与所述电感L_p串联，串联的负载电阻R与所述电感L_p并联在所述电容C_p的两端；

所述电感L_f、所述电容C_f、所述电感L_p、所述电容C_p的参数满足：

其中，ω＝ω₀表示整个全波输出的单管逆变器的谐振角频率，R_P表示所述电感L_p的等效串联电阻。

7.无线电能传输系统，包括发射端和接收端，其特征在于：所述发射端采用权利要求1～5任意一项所述的全波输出的单管逆变器，所述接收端采用权利要求3所述的接收端。

8.根据权利要求7所述的无线电能传输系统，其特征在于：所述接收端包括顺序连接的所述电感L_s、串联补偿电容C_s和负载网络。

9.根据权利要求8所述的无线电能传输系统，其特征在于：所述电容C_s的参数满足：ω表示整个无线电能传输系统的谐振角频率。

10.一种权利要求7～9任意一项所述无线电能传输系统的控制方法，其特征在于，包括：

将开关角频率ω₀和占空比A的PWM信号输入所述NMOS管Q的G极，使得所述全波输出的单管逆变器周期性工作并在每个开关周期中按时间先后存在以下五个工作模态：

1)t₀-t₁间的模态I：在t₀时刻，PWM信号为高电平，所述NMOS管Q的漏源电压V_ds＝0，所述NMOS管Q实现ZVS导通，所述电感L_f的电流I_in、所述电感L_p的电流I_Lp分别减小至过零；然后，I_Lp开始正向增大，I_in开始反向增大，所述电容C_f等效短路，V_ds保持为零；

2)t₁-t₂间的模态II：在t₁时刻，PWM信号变为低电平，所述NMOS管Q关断，所述电感L_f与所述电容C_f、所述电感L_p与所述电容C_p分别开始谐振；然后，I_Lp开始反向减小，I_in开始正向减小，V_ds开始正向增大；

3)t₂-t₃间的模态III：在t₂时刻，PWM信号持续为低电平，I_Lp、I_in分别减小至过零，V_ds达到最大值；然后，I_Lp开始正向增大，I_in开始反向增大，V_ds开始正向减小；

4)在t₃-t₄间的模态IV：在t₃时刻，PWM信号持续为低电平，I_in达到最大值，I_Lp达到最小值，V_ds下降至零，所述电感L_f与所述电容C_f、所述电感L_p与所述电容C_p结束谐振；然后，I_Lp开始正向减小，I_in开始反向减小，V_ds保持为零；

5)在t₄-t₅间的模态V：在t₄时刻，PWM信号变为高电平，所述NMOS管Q仍处于关断状态，所述电感L_p继续正向放电，当I_Lp＝0时，进入下一开关周期重复模态I。