[发明专利]单级升压逆变器及其构成的无线能量发射电路

说明书

本发明提供了一种单级升压逆变器及其构成的无线能量发射电路，逆变器包括电感L、二极管D_r、开关管S_h、开关管S_l以及电容C_o，电感L的一端接DC电源的高电平端，另一端与二极管D_r的正极端连接，二极管D_r的负极作为交流电源的正相输出端，DC电源的高电平端还经电容C_o与开关管S_h的一端连接，开关管S_h的另一端接交流电源的正相输出端，DC电源的低电平端与交流电源的反相输出端直接相连，在交流电源的高、低电平输出端之间连接开关管S_l，在开关管S_h上设置有二极管D_h，在开关管S_l上设置有二极管D_l。本发明将boost升压电路和逆变电路相结合，不仅减少了开关器件数量，同时降低了电解电容的容量和体积，结合软开关工作模式，具有更高的集成度和可靠性。

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术和电源转换技术，具体涉及一种单级升压逆变器及其构成的无线能量发射电路。

背景技术

无线电能传输(WPT)技术基于电磁感应耦合原理，结合电磁场理论、现代电力电子电能变换技术、现代控制理论，实现一定距离的非接触式能量传输。近年来，该技术由于其便捷、安全、灵活等特点受到了学者和企业的广泛关注，并且已经被应用于各个领域。

在某些应用场合，如蓄电池供电的移动机器人、人工心脏和电动汽车馈网(V2G)系统，系统输入电压较低，需要先对输入电压进行提升，然后再进行逆变，产生适当的谐振电流，从而满足负载功率需求。WPT系统中，通常采用双级拓扑来解决低输入电压问题，即将升压电路连接在原边逆变输入侧或副边整流输出侧，其拓扑如图1所示。这种拓扑由于其简单的结构和控制策略而被广泛应用。但是，升压电路的加入增加了电能变换环节，也随之带来了一些问题：

1)增加了系统的非线性特性和模型建立的复杂度，尤其是当升压电路与逆变电路开关频率或者相位不一致的时候；

2)开关器件和直流电解电容的增加一定程度上降低了系统的可靠性和集成度，并带来了额外的损耗。

为了解决双级拓扑所带来的一系列问题，集成式单级升压逆变器被人们提了出来。但是目前集成式单级升压逆变器的研究多见于光伏并网发电系统、电机驱动和感应加热。其中，前两个应用场合下的输出电流频率与WPT系统相比相差太大，其拓扑和控制策略与WPT系统不同。而感应加热应用中多是ac-ac型变换器，其输出高频电流的幅值并不恒定，无法为直流负载提供稳定的电压和功率。尽管目前在WPT系统中存在一些单级升压拓扑，但是其功能均是用于功率因数校正。理论上来说，功率因数校正电路的输出电压应保持恒定，且调整频率不能高于工频交流输入的频率，否则，功率因数校正功能将失效。因此该拓扑对于输出功率的调整具有一定的局限性。

发明内容

鉴于现有技术的缺陷，本发明首先提出了一种单级升压逆变器，通过将boost升压电路和逆变电路进行集成，在减少开关器件的同时，既能实现逆变功能，又能够对输入直流电压进行升压控制，并且实现输出功率的全范围控制。与现有双级升压逆变方案相比，在不增加控制策略复杂度的同时，其拓扑结构得到了简化，集成度与可靠性得到了提升。

为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：