[发明专利]无线电能传输装置的高频逆变电源及其倍频控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于无线电能传输装置的高频逆变电源及其倍频控制方法。

背景技术

目前，电动汽车、城市轨道交通等电气化交通车辆通过接触方式充电或供电，尤其是城市轨道交通等通过触网与受电弓的移动式接触供电，因接触不良容易产生火花、摩擦带来积碳粉尘，供电的安全可靠性低、污染严重、维护工作量大，设备使用寿命也受影响，当遇到雨雪等恶劣环境影响时，接触供电更具有明显的局限性。无线供电技术可有效解决上述问题，其特点是：（1）供电电源和负载单元之间不需物理接触，电气绝缘，安全、可靠；（2）没有裸露导体存在，电能传递能力不受环境因素影响；（3）不存在机械磨损，可靠、耐用，免维护。无线供电技术可用于城市轨道交通、电动汽车、自动化装备等的无线供电，以及水下、矿井、易燃易爆等恶劣环境下的供电。

无线电能传输装置的基本构成包括无接触变压器，以及高频逆变器、高频谐振电路等，为灵活、安全、可靠、方便的给电气化车辆及其他移动设备供电提供了一种有效方法。

无线电能传输的发展方向是大气隙、高功率、高频率、高效率。然而，目前高频电力电子器件的功率等级、开关频率都不高，单个电力电子器件的功率和频率等级很难满足大功率无线电能传输装置的需求。如何有效、经济、合理地提高并灵活调节高频逆变器的输出频率是电能无线传输的核心问题之一。另外，在无线电能传输中，初级与次级之间的互感与它们之间的耦合系数对电能传输效率起至关重要的作用。它们之间的间隙、相互位置对它们绕组之间的互感影响很大。绕组互感降低时，效率下降明显。因此如何提高无线电能传输变压器气隙的适应性，在初级与次级相互位置变动等因素导致互感下降的情况下确保较高的传输效率，是无线电能传输的另一核心问题。

申请公开号为No.H04-317527的日本专利公开了一种非接触充电装置，为了实现高效率传递功率，次级线圈必须精确地位于相应的位置，对初次级位置关系以及空间约束很强。

中国专利200710163025.3提出的非接触电能传输装置用于电瓶车充电，其初级线圈和次级线圈均为扁平螺旋卷绕的类似圆形的平板状，仅当初次级中心正好对齐的时候才具有较高的效率，一旦初次级存在位置偏差，其传递效率会大幅下降。

中国专利200810234555.7公开的非接触充电装置中，初级线圈为平行导线，次级线圈绕制在磁芯上，其中初级线圈需要穿过次级的磁芯，同样初次级的横向相对位置受到很大的局限，仅限于初级线圈固定且次级线圈有固定运动路径的场合。

以上现有技术中都存在变压器初次级位置被严重约束，实用性不强。无接触供电变压器之所以对初次级相对位置敏感，主要原因是初次级相对位置变动造成初次级之间互感的大幅变化，从而影响输出功率和效率。在同样变压器初次级相对位置情况下，提高传输频率，可以在变压器次级获得更高的电压，可有效提高传输功率和效率，解决该问题。由于无接触变压器耦合系数较普通工业用变压器小很多，属于松耦合变压器，为了提高传输效率，采用高达数十kHz的频率进行传输。

为提高传输频率，可用高频MOSFET作为变流器的主开关器件形成高频逆变电源。然而，由于MOSFET的电压电流定额相对较小，大功率设备需要大量的器件串并联使用，降低了系统可靠性。IGBT器件容量远高于MOSFET，并且不存在寄生二极管不良反向恢复特性问题,适合大功率应用。但是，IGBT拖尾电流在高频开关工作状态下引起的关断损耗很大，限制其工作频率的提高。在感应加热电源领域，目前IGBT开关频率在零电流开关（ZCS）状态下可工作在100kHz。

文献“蔡慧，赵荣祥，陈辉明，汪世平.倍频式IGBT感应加热电源的研究[J]，中国电机工程学报，2006,26（2）:154-158.”中描述了一种基于IGBT依靠谐振电路振荡电流形成负载电流频率是开关管工作频率两倍的效果，该方法不但需要额外的谐振电路，而且频率提高有限，器件换流条件对谐振电路品质因数要求较高，另外功率器件定额没有得到有效利用。

文献“沈锦飞，惠晶，吴雷，颜文旭.倍频分时控制IGBT 180kHz/50kW高频感应焊接电源[J]，焊接学报，2009，30（9）:1-4.”中提出对逆变器每个桥臂并联的IGBT采用分时控制的方法可以提高逆变器的工作,实现逆变器倍频输出，然而该方法输出频率倍数固定，没有涉及如何变倍频运行。