负载适应型中频共振电源

《负载适应型中频共振电源》由会员分享，可在线阅读，更多相关《负载适应型中频共振电源（12页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、负载适应型中频共振电源(Loaddaptiv Mdim reuency Resonan Pow Sp）摘要-低功率电子器件、微型计算机系统和无线通信的迅速发展使得全新的便宜的电力供应的系统概念得以发展。在某些应用场合下，有线的电力传送并不适合并且甚至不也许应用。例如：在机器人应用、全自动的制造领域尚有对绝缘性有十分高的规定的中压以及高压领域等。在不含老式变压器的解决方案中：磁路中有一段很大的空间间隔，器件以谐振开关方式运营,来向负载提供电源。在这篇文章中，我们将向您展示一种谐振电源转换系统,她通过向下提供辅助电源来使完全意义上的无线设备成为了也许。它并不借助导线,而是通过一定距离甚至几米远的磁

2、场,涉及了100立方米的空间，这使之适合于机器人应用或者高度自动化的生产设备（传感器、通信、促动器等）。简介近年来，智能工业、过程和电能分派领域中的电子和微型计算机系统浮现了一场革命：电子器件变得越来越便宜化、微型化、智能化和可通信化(例如：无线）。传感器已经变得更加微型、便宜并且一般是集成化的。集成了先进的通讯技术的控制和自动化系统(例如:LC）同步也变得更加小巧、更加低功耗、更加低成本并且提供可变的、先进的工程支持。在以上这些领域中,成本大幅下降，先进的技术也得到了发展。目前,为了适应多种的应用规定，新的通信技术（如：蓝牙等）被开发了出来。在传感器领域的更进一步的革命将要随着着微型化、电子

3、化、机械化的系统MES(微机电系统)而兴起,它集成了机械构造、多功能材料和微型电路到一块芯片上。这样设计的前景是发明一种可以感知、思考、动作和通信的芯片。因此，自动化在工业应用、中压配电、对新技术有需求的仪器和建筑领域在提高系统的性能的前提下减少成本。考虑到工程技术、成本、尺寸和寿命问题，有线的解决方案一般并不适合,特别是在机器人应用、移动系统和对绝缘性有很高规定的领域。提供一种便宜的、可靠的高电压电力供应是有困难的,特别是在低功率场合。当下常用的解决方案(0Hz）变压器是昂贵的,其可靠性低、体积大。因此她们并不再适合有着传感、驱动和通信功能的系统。以上这些规定大部分可以很容易地通过一种借助于

4、电磁场的真正的无线系统来平衡。其中的变压器具有一种很大的空气间隔(提供绝缘性和低电容）,或者甚至历来就没有变压器的核心。在机器人和制造领域,线缆存在着高成本和可靠性不佳的问题。无线通讯已经展示出了她强大的优越性,但是一种明显的问题仍然是向小功率顾客无线地传播电能，例如下图中典型的制造平台是向一种特定的区域中的10到00个顾客传播电能。我们可以很容易地看出,在这个电源系统中的是通过磁场来耦合的。这种形式的能量分派系统有非常特殊的规定：电源向整个区域完整地提供可以适应多种尺寸的平台对负载补偿可以变化，如:机器人的运动可以低损失地产生必需的电磁场低耦合暗示着如果工作在常用的变压器模式下很低的功率转换

5、成为了也许。因此必须使用一种谐振的措施来补偿一次侧和二次侧的电感漏磁。电路然后就运营在了低得多的输入电压的模式下，其控制方式与多共振整流器相似。然而由于工作在共振模式下，在变压器末端的电压将会很高。 这篇文章的目的是描述一种负载适应型电源的转换系统,其重要合用于完全无线的电能转换，无线的距离可变并可以达到数米远。对比应用于感应加热的措施，为了能使二次侧或接受侧电路可以运营，控制和调节的措施是频率必须精确地拟定。阐明这里描述的电源(一次侧）将通过一段很大的空气间隔向独立的接受器件(二次侧）提供电源。电能的传送媒体使用的是磁场。相比于“原则的开关电源变压器”设计,普遍可用的工业系统的一种明显问题便

6、是如下的参数是变动的：主电感缠绕的尺寸。一次侧(发送端）与二次侧（接受端）之间的距离。接受线圈和二次侧负载的类型。因此,电源不得不面对电磁耦合状况的巨大变化,这代表了在一次侧的一种很大范畴的电感性负载，其比率也许达到1：7。 为了使一次侧和二次侧系统分别独立开来，电源的频率必须精确地达到某一种值，二次侧也同样必须工作在谐振条件下来获得高的电压级别。由于这种解决方案只考虑传送正弦电流或场强，并且是不含调制和通信的共振电源传送,其频率或者场强符合美国供应管理协会(S）的原则,并且SM也并没有针对于信号频率低于15kHZ的限制。在全球应用的最低ISM频段是1MHz频段。借助该频段，令人期待的大规模应

7、用已经开始,但是其电磁兼容性(EMC）体现却不令人满意。一种用于通信目的（短距装置，SRD)外表类似电感线圈系统的、容许0占空比的工作方式已经应用于频率区间在19kHZ1k的频段中（选择在120kHz的工作频率)。为了使盼望中的大空气间隔得以实现,且考虑到场强也许会影响到其中的操作器件，因此必须要观测安全级别(国际非电离辐射保护委员会提供的值在表中）。固然，只有很低的正弦磁场传递失真才干满足电磁兼容性的规定。原理就像前文讨论过的，我们的目的是提供不需要线缆的辅助电源。考虑到几种也许性，借助非常大的空气间隔进行磁场耦合看起来像是最适合的选择。我们可以描述一种这样一种有着原边和或多或少独立性的副边

8、的这样的系统。正如在一种变压器中同样,两个线圈是通过磁场耦合的，在本文章中只波及原边。原边的目的是产生足够强的场强提供应副边使之能处在巨大变化的电磁场耦合中并提供负载需要。在这个弱耦合系统中产生场强需要一种相对于有功来说比率很大的无功，而大部分需要的有功将流失。在电路中(整流器、补偿电容器）。在线圈中。由于环境中的涡流损耗，例如：被提供电能的装置的金属部分。由于驱动级必须同步适合大电流和大电压，因此直接向电源或者变流器提供无功的方式是不经济的。幸运的是,在共振模式下可以提供无功。由于整流器边工作在低电压模式下使其可以使用低损耗半导体，且由于场的强度控制可以很容易地感知非直接使用的电压源变流器,

9、因此使用串联谐振。然而，并联谐振也同样是可以选择的。在本例中，整流器并不需要通过谐振电流,但是必须限制可观的高电压。图2谐振的工作模式尚有更大的长处,它可以减少由于也许的零电压或者电流开关(零电压开关、零电流开关)产生的功率级开关损失。谐振的工作方式同样可以十分好地适合低谐波规定。涉及原边在内的谐振线圈由于弱耦合,有很高的最佳平坦响应,其实际值有1-0在共振频率附近一定会有最高的响应增益。正如在阐明中已经描述过的,由于原边和副边的是独立的,因此传播磁场的频率和由此而拟定的电能位必须固定。并且为了适应在很宽范畴内变化的负载电感，只有通过调节谐振电路其自身才干有也许调谐共振工作点。由于耦合变化和发

10、射器尺寸使得发射器线圈的电感可以发生很大的变化,这使在很长一段距离外进行共振电路调节十分必要。几种措施:通过在不同的共振电路和电路元件之间选择并使用不同的工作频率来获得等价的共振频率。这种解决措施的缺陷是,工作过程中开关器件在合适的位置截断电流将引入失真,并且开关器件必须是双向的。图3高开关频率的电容器和电感。这种解决措施原则上与前一种措施类似，但通过使用了更高频率来获得更好的波形。更高的频率需求意味着比工作频率还要更高(例如十倍），在本例中这是不具有优势的，由于那意味着MHz，这样其功率级别将太高（硬开关高损失)。电容和电感的低频率开关。8位辨别率代表工作频率在10kH的最大频率误差在0z解

11、决措施。这种解决方案在本例中看起来像是可行的，但是需要大量的双向开关器件。通过在原边串联可饱和电感来进行线性调节。这种解决措施使简朴的谐振频率线性调节成为了也许，但是也会导致高损耗和在调节幅度与额定电流功率的规定下引起的尺寸的迅速变大的缺陷。可饱和器件的引入同样给共振电路带来了谐波失真。因此这里选择后两种方案的混合伙为解决措施:一种通过位辨别率的开关电容实现的逐渐的调节方案和一种通过可饱和线圈调谐的线性调节方案。在控制思想上,更重要的是原边的磁场以及由此决定的原边电流大小必须是可变的。控制上必须满足:调节谐振频率与电源频率相符。在发射线圈中调谐电流的幅值。在原边的谐振频率调节仍存在两种也许性:

12、调节线圈电流使之达到最大值（MPP）,然后原边的谐振频率就显然地调制到了共振频率。通过调节共振电路来控制共振电压和电流的相位,直至为零。第二种解决方案是如果在一种拟定的相位控制下（除了零相位的）,零电流开关模式的电能位操作有优势。相位移的控制呈现了进一步的使用同样的措施调谐电源的也许性。通过获得不同的相位移我们也可以变化共振电路的增益并且调谐电路中电流的幅值。但由于共振电路的高滤波增益而引起的失真导致这种解决措施并不能得到认同。通过控制磁场我们同样可以调制输入电压级别。以上的电压级别被开关级用来向共振电路提供电源（见图2）。这样的目的是可以实现的，例如通过一种可控输出电压的电源。实现图5呈现了

13、完整的电源的电路图,其可以分为三个部分。A PF与场的控制“场的控制”这一部分的任务是通过提供一种相应于场强的参照电压来调节传送的电能。这个设备是一种原则的有着PM电压控制的直流转直流的整流装置。参照电压由谐振电路控制产生。这里所用的整流装置是一种升压器（PF)和一种输出电压为0到60V(600W)的前置整流器。其值可以很容易地去符合多种电源规定。这一级的电能必须不仅符合二次侧负载的需求，也要涵盖共振回路的损失（其也许是所需电能的重要部分)。 频率发生器这一级的功能是提供谐振回路的振荡能量。在本例中,电路与前文提到过的相似，且将工作在一种固定的频率下。对于串联谐振电路来说直流偏移是不利的。一种

14、单相的开关级可以实现这个功能。这个单相开关级产生了一种矩形的电压，且其振幅由场的控制的输出电压来拟定。这个矩形电压向谐振电路提供电能。这一级的控制信号是一种固定频率的占空比为的信号。谐振工作方式的三种状况可以拟定为(图6）:电源级的频率低于共振频率。电源级的频率正好是共振频率。电源级的频率比共振频率要高。图6只有最后一种模式专注于减少开关损失，在半桥中二级管到开关的电流互换在本例中是一种自然换相。由于对于两个开关的打开和关断之间对于死区的需求，精确的调节措施又引入了四个开关成果（由于在开关成果中电流非常小因此这样的解决措施是可以接受的)。为了可以让电路获得也许有的最佳的滤波增益,相位移必须尽量

15、地为零。由于我们想在不增长整流转换的前提下达到最高的滤波增益，因此整流转换的安全的死区时间边沿必须尽量的小。因此,应当考虑通过一种有效的门驱动电路来减少开关时间。由于共振电路的高品质因数值，这一级的输入电压不需要很高。设计中的最重要的准则是输入电容和开关的选择必须考虑到最大共振电流。相位捕获通过一种一般的比较器来实现。为了在零相位移附近获得清晰可以辨认的相位信号，其中一种测量过的信号必须有90度的相位移。在我们的例子中，我们将电流的相位进行了移动,并用门驱动电压作为电压相位信号。C共振调试本级构造了带有负载的共振电路。其必须解决电能传送的有功和无功规定。就像在第三段里已经讨论过的,对于负载阻抗

16、变化的补偿是通过一种位的逐渐调节和对余下的范畴的线性调节来实现的。逐渐调节的方式必须将阻抗变化的所有范畴分为大小相等的个部分，而这个可以通过并联或者串联的开关电容来实现。这里选择了一种固定的树形开关电容器。这样选择的长处是，只有固定电容器需要设计地能承受完全的共振电压(这里也许达到1kV00kH）,而树形电容器和开关则可以只需要能承受共振电压的一部分就可以了。在平常工作时，我们只但愿负载的变化是缓慢的（例如某些设立的调节）。我们已经选择了(固然是双向的）继电器作为开关,但是我们也可以将她们替代为半控的双向电子开关,特别是某些使用开关数量比较多的地方。剩余的需要进行补偿的地方将由电源中线性调节模

17、块进行补偿。现行共振电路的调节有可饱和电感实现。出于这个因素而设计出了一种很特殊的电感。将主线圈（图7)平均地分派到E形铁芯的气隙分支,使交变磁通大部分的流入到了这些分支中。为了消除对称精度引起的在中央分支上的剩磁,在这个分支（图72）上加上了单匝的回线电路。饱和线圈可以通过简朴的低电压电流调节。为了使每一种支路都在饱和工作点,需要双方的气隙都精确的对称。正如我们可以在图8中看到的,在一半的磁芯中饱和磁通是相加的而在另一半中饱和磁通是相减的,因此饱和的非线性失真被补偿掉了。这种变化是我们拥有了持续可变的电感，容易控制且出人意料地接近线性。还剩余一种问题是需要大的空气间隔来控制强烈交变的磁场,并

18、且需要将满足磁路饱和的能量考虑在内。 成果图9中的原型产品实现了24的输出和10-H的可调电感。其最大无功大概30kVA，但是最大需要的有功60。在第一次产生电能的应用测试中，我们发现需要更多的功率和更高的设立。一种解决方式是将两个电源和其线圈并联。由于共振电路的高品质因数,两个共振回路之间的每一种小的差别将导致电流分派的问题。虽然两个电源电流之和仍是正弦，但不同的电源的电流将发生严重失真。这个成果的浮现是由于线圈的不对称性和不可再饱和性。新的电源设计方案避免了这些问题并且减少了安装难度。她可以同步向两个线圈供电并且由一种cotroler控制,这使她更容易安装以及具有更大的灵活性。图1（共振电

19、路的输入电流和电压在图中展示。她清晰地显示出相位移必须十分接近0度并且谐波失真很低（二次谐波大概5dB）)图1(电磁兼容强度测试采集于共振调节电路的工作点。）这种波形质量级别不能达到变化的所有范畴。在不抱负的状况下(饱和达到30%40），则只达到了一种0dB的边沿。我们仍在继续努力来解决这个问题，进而改善状况。面对饱和线圈的持续的电感实验还是很有前程的。结论我们推荐了一种灵活的变压器概念并且使其设计适合变化的电感负载的规定。原型机的实验成果阐明重要的问题已经解决。在同步的状况下,甚至几种电源系统向几种线圈系统供电也是可以实现的。根据需要在进行了屏蔽以承受高倍磁场的前提下,通过进行合适的控制（这里是微解决器），旋转或者全方向的磁场也都是可行的。参照文献