标倍频数，要求n为奇数，本实例中n取5。
[0045] 两个幅值为E的直流电压源是串联连接，第一电压源的负极接第二电压源的正 极，并选择二者的连接点作为参考地；本实例中，电压源幅值E为25V。
[0046] 控制电路101由DSP和驱动电路组成；本实例中DSP采用TI公司型号为 TMS320F28035 的芯片，驱动电路采用 International Rectifier 公司的 IRF2110 芯片；DSP 用于提供驱动信号，且提供的驱动信号的对数等于目标倍频数5 ;5对驱动信号均为方波信 号，占空比均为1/2,且相邻对的驱动信号相位相差2 /5,每对驱动信号内的两个信号相 位相差;驱动电路与DSP相连，用于将DSP提供的5对驱动信号进行放大后输出。
[0047] 5个开关桥臂102与控制电路101相连；本实例中，每个开关桥臂均由上NMOS管 和下NMOS管构成；其中，上、下NMOS管的栅极分别与控制电路提供的成对驱动信号相连， 上NMOS管的漏极与第一电压源的正极相连，下NMOS管的源极与第二电压源的负极相连，上 NMOS管的源极与下NMOS管的漏极相连，并以此连接点作为开关桥臂输出端，输出方波功率 信号；5个开关桥臂102，在5对驱动信号的控制下，开关桥臂中点输出5个占空比为1/2 的方波功率信号，且相邻信号之间相位相差2 JT/5 ;本实例中，开关桥臂产生的方波功率信 号的频率fQ= 200kHz。
[0048] 5个电感器103与各个开关桥臂中点相连，用于将开关桥臂产生的5个方波功率信 号进行叠加倍频，在电感器的公共点处输出5倍频的方波功率信号；本实例中，电感器的电 感量 L = I. 55uH。
[0049] 谐振电容器104与5个电感器103的公共点以及电源地相连，用于与5个并联的 电感器进行串联谐振，将5倍频的方波功率信号的基波分量进行提取和放大，得到5倍频的 正弦功率信号；谐振频率为5倍频方波功率信号的基波频率，串联谐振的等效谐振电阻为 线路和电感器的内阻；本实例中，谐振电容器的电容值C = 82nF，等效谐振电阻R = 0. 4 Q。
[0050] 无线电能发射电路105与谐振电容器104的两端相连，将谐振电容两端放大后的 5倍频的正弦功率信号进行无线电能发射。
[0051] 无线电能接收电路106与无线电能发射电路105存在磁親合，用于无线电能接收。
[0052] 本实施方式中，开关桥臂中点产生的5个占空比为1/2的方波功率信号，相位相差 2 /5,根据傅立叶级数展开，5个方波功率信号的傅立叶级数形式为：
[0058] 其中：Xl~x 5为第1~5个方波功率信号，E为方波幅值，即直流电压源幅值，《 ^ 为方波功率信号的基波角频率，Otl= 2 JT f p
[0059] 由于每路开关桥臂的输出电感器均要与其他4个并联电感器进行分压，每路的方 波功率信号作用于电感器公共点的有效方波幅值衰减为原幅值的1/5,表示为：
[0061]其中：Xl'~X5'为第1~5个开关桥臂作用于电感器公共点的有效方波幅值。
[0062] 设所有5路开关桥臂作用于电感器公共点处有效方波叠加为y，根据傅立叶级数 形式可知，叠加和y仅保留了有效方波的5的奇数倍次谐波，消掉了其他次谐波，得到5倍 频的方波功率信号，表示为：
[0063]
[0064] 5倍频的方波功率信号作用于谐振电容器上，由于谐振电容器与5个并联的电感 器在5 频率点发生串联谐振，在谐振电容两端放大并提取出5倍频方波功率信号的基波 分量，即5倍频的正弦功率信号，表示为：
[0067] 其中：u。为谐振电容两端电压，A为串联谐振的电压放大系数，C为谐振电容值，R 为串联谐振的等效谐振电阻；本实例中，A = 4. 85。
[0068] 基于上述实施方法，可以搭建5倍频的逆变电路。逆变电路各桥臂中点的输出电 压以及叠加倍频后的输出电压如图3所示，其中，叠加倍频后的输出电压为谐振电容器两 端的电压。
[0069] 上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发 明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的 一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例， 本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保 护范围之内。
【主权项】
1. 一种用于无线电能传输的高倍频逆变电路，其特征在于，包括： 两个幅值相等的直流电压源El~E2 ;其中，直流电压源El的负极与直流电压源E2的 正极相连并接地，直流电压源El的正极与直流电压源E2的负极之间产生直流电压； n组相互并联的开关桥臂；所述的开关桥臂由两个开关管串联组成，其利用所述的直 流电压通过开关动作产生方波功率信号，所述的两个开关管串联后连接于直流电压源El 正极与直流电压源E2负极之间；n为预设的目标倍频数且为奇数； 控制电路，用于为n组开关桥臂对应提供n对开关驱动信号； 由n个电感组成的电感器，用于将n路方波功率信号进行叠加倍频，产生一路n倍频的 方波功率信号；所述电感的一端与对应开关桥臂中两个开关管的串联接点相连，各电感的 另一端共连并作为电感器的公共接点； 谐振电容器，用于与所述的电感器进行串联谐振，并对n倍频的方波功率信号中的基 波分量进行提取及放大，得到一路n倍频的正弦功率信号用以通过耦合无线传输；所述谐 振电容器的一端与电感器的公共接点相连，另一端接地。2. 根据权利要求1所述的高倍频逆变电路，其特征在于：所述的控制电路由DSP和驱 动模块组成，所述的驱动模块将DSP产生的n对开关驱动信号进行功率放大后，对应提供给 n组开关桥臂。3. 根据权利要求1所述的高倍频逆变电路，其特征在于：所述的开关驱动信号为占空 比为1/2的方波信号。4. 根据权利要求1所述的高倍频逆变电路，其特征在于：相邻两对开关驱动信号的相 位差为2 Jr /n，每对开关驱动信号内的两个开关驱动信号的相位差为JT。5. 根据权利要求1所述的高倍频逆变电路，其特征在于：所述开关桥臂产生的方波功 率信号的占空比为1/2,相邻两个开关桥臂产生的方波功率信号的相位差为2 /n。6. 根据权利要求1所述的高倍频逆变电路，其特征在于：所述的谐振电容器与电感器 发生串联谐振，其谐振频率为n倍频的方波功率信号的基波频率，等效谐振电阻为线路以 及电感的内阻，谐振电感值为L/n，L为电感的感值。
【专利摘要】本发明公开了一种用于无线电能传输的高倍频逆变电路，其通过多桥臂移相的方式，生成具有一定相位差的方波功率信号并进行叠加输出，基于傅立叶级数分析，实现了逆变输出频率为开关频率的n倍(n为奇数)的效果，从而解决了传统桥式逆变电路的输出频率受限于开关频率的问题。本发明基于频域的傅里叶分解和叠加原理实现高倍频输出，采用了不同的拓扑连接，保证了在任意倍频数n下驱动脉冲占空比均为1/2，避免了现有高频逆变电路在倍频数n很大时，驱动脉冲占空比过小而导致开关管无法正常输出脉冲的问题。
【IPC分类】H02M7/5387, H02M7/539
【公开号】CN104993732
【申请号】CN201510315212
【发明人】钱中南, 王睿驰, 杜进, 吴建德, 何湘宁
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年6月9日