无线充电系统Buck变换器输入电容临界值设计方法

无线充电系统buck变换器输入电容临界值设计方法
技术领域
1.本发明属于无线电能传输系统的参数优化技术领域，特别是涉及无线充电系统buck变换器输入电容临界值设计方法。


背景技术：

2.目前现有技术中的磁耦合谐振式无线电能传输系统如图1所示，所述磁耦合谐振式无线电能传输系统主要由发射端逆变源、原副边线圈及谐振网络、接收端变换器、负载组成。其中接收端变换器承担着调整输出电压，维持系统输出稳定的重要作用。当前级谐振网络具有恒流源性质时，接收端buck变换器的控制-输出传递函数中会出现右半平面零点，受其影响，无线充电系统稳态、动态性能都会变差。本发明提出一种输入电容参数设计方法，由此来抑制右半平面零点存在带来的不利影响，实现整体性能的提升，对于无线充电系统的合理设计有重要的意义。


技术实现要素：

3.本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了无线充电系统buck变换器输入电容临界值设计方法。
4.本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出无线充电系统buck变换器输入电容临界值设计方法，所述方法具体包括：
5.对无线充电系统进行信号建模得到控制-输出的传递函数：
[0006][0007]
式中，d为buck的占空比；
[0008]
由(1)可知，传递函数中存在着一个右半平面零点，其位置为：
[0009][0010]
确定直流侧输入电容c
dc
的最小临界电容值，该最小临界电容值的确定方法具体为：
[0011]
假设接收端正弦电流为：
[0012]ils
(t)＝i
ls sin(ωt)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0013]
其中ω是谐振角频率,ω＝2πf；则整流后的电流为：
[0014]
ir(t)＝i
ls
|sin(ωt)|
ꢀꢀꢀ
(4)
[0015]
开关管s在时间段0～dtb开通，整流电流ir(t)和输入电容c
dc
共同给电感充电；c
dc
电荷量不断减小，电压降低，电感电流增加；在此阶段，c
dc
的放电电流平均值i
dc1
表示为：
[0016]
[0017]
式中tb为buck电路开关周期，tb＝1/fb；开关频率为fb；电路工作于ccm，l足够大，电感电流在此期间视作恒定不变，即i
l
＝io＝u/r；
[0018]
当ir(t)位于最小值区间时，c
dc
放电平均电流最大，满足：
[0019][0020]
电容电荷方程q＝c
·
δu＝i
·
t，在此阶段，最小电容值c
dc-min1
需满足：
[0021][0022]
电容为临界值时：
[0023][0024]
联立(6)-(8)得：
[0025][0026]
开关管s在时间段dtb～tb关断,整流电流ir(t)给电容c
dc
充电，c
dc
电荷量不断积累，电压升高，电感l沿着二极管d续流，电流减小，在此阶段，c
dc
的充电电流平均值i
dc2
表示为：
[0027][0028]
当ir(t)位于最大值区间时，c
dc
充电平均电流最大，满足：
[0029][0030]
在此阶段，最小电容量c
dc-min2
需满足：
[0031][0032]
联立(11)，(12)得：
[0033][0034]
由(9)和(13)，得到最小临界电容值c
dc-min
：
[0035]cdc-min
＝max{c
dc-min1
,c
dc-min2
}
ꢀꢀꢀ
(14)。
[0036]
进一步地，所述无线充电系统buck变换器由开关管s、二极管d、电感l和输出滤波电容co构成。
[0037]
进一步地，所述无线充电系统的接收端电路包括ls和cs构成的串联谐振电路、d
1-d4构成的不控整流桥、直流链电容c
dc
、buck变换器和负载r。
[0038]
本发明的有益效果为：
[0039]
本发明提出一种无线充电系统buck变换器输入电容临界值设计方法，所述方法能够抑制右半平面零点存在带来的不利影响，实现整体性能的提升，对于无线充电系统的合理设计有重要的意义。
附图说明
[0040]
图1是现有技术中磁耦合谐振式无线电能传输系统框图；
[0041]
图2是具有恒流输入特性的无线充电系统接收端等效电路图；
[0042]
图3是工作时序图；
[0043]
图4是仿真验证结果图；
[0044]
图5是正常容值与临界容值时系统波形对比图，其中(a)容值正常c
dc
＝3μf，(b)容值临界c
dc
＝1.8μf。
具体实施方式
[0045]
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0046]
本发明将采用参数设计的方法，对接收端buck变换器输入电容参数进行设计。以图2给出的系统电路图为例给出确定电容最优值的方法。以抑制右半平面零点的不利影响。
[0047]
图2是一个典型的串联补偿的无线充电系统接收端电路，其中ls和cs构成串联谐振电路，谐振频率为fs；d
1-d4构成不控整流桥；c
dc
为直流链电容(也被称作buck变换器输入电容)；开关管s、二极管d、电感l和输出滤波电容co构成buck变换器，其开关频率为fb；r为负载。图中i
ls
，i
dc
，i
l
分别为整流桥的输入电流，流过输入电容c
dc
的电流和电感电流。u
dc
为c
dc
两端的电压。
[0048]
本发明提出无线充电系统buck变换器输入电容临界值设计方法，所述方法具体包括：
[0049]
对无线充电系统进行信号建模得到控制-输出的传递函数：
[0050][0051]
式中，d为buck的占空比；
[0052]
由(1)可知，传递函数中存在着一个右半平面零点，其位置为：
[0053][0054]
可见，c
dc
越小，右半平面零点的位置离虚轴越远，其对系统的不利影响越小。然而，直流侧输入电容c
dc
需要满足电路续流和提供缓冲能量的功能，容值不能过小，存在一个最小临界值。确定直流侧输入电容c
dc
的最小临界电容值，该最小临界电容值的确定方法具体为：
[0055]
假设接收端正弦电流为：
[0056]ils
(t)＝i
ls sin(ωt)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0057]
其中ω是谐振角频率,ω＝2πf；则整流后的电流为：
[0058]
ir(t)＝i
ls
|sin(ωt)|
ꢀꢀꢀ
(4)
[0059]
开关管s在时间段0～dtb开通，整流电流ir(t)和输入电容c
dc
共同给电感充电；c
dc
电荷量不断减小，电压降低，电感电流增加；如图3所示。在此阶段，c
dc
的放电电流平均值i
dc1
表示为：
[0060][0061]
式中tb为buck电路开关周期，tb＝1/fb；开关频率为fb；电路工作于ccm，l足够大，电感电流在此期间视作恒定不变，即i
l
＝io＝u/r；
[0062]
当ir(t)位于最小值区间时，如图3所示，c
dc
放电平均电流最大，满足：
[0063][0064]
电容电荷方程q＝c
·
δu＝i
·
t，在此阶段，最小电容值c
dc-min1
需满足：
[0065][0066]
电容为临界值时：
[0067][0068]
联立(6)-(8)得：
[0069][0070]
开关管s在时间段dtb～tb关断,整流电流ir(t)给电容c
dc
充电，c
dc
电荷量不断积累，电压升高，电感l沿着二极管d续流，电流减小，如图3所示。在此阶段，c
dc
的充电电流平均值i
dc2
表示为：
[0071][0072]
当ir(t)位于最大值区间时，如图3所示。c
dc
充电平均电流最大，满足：
[0073][0074]
在此阶段，最小电容量c
dc-min2
需满足：
[0075][0076]
联立(11)，(12)得：
[0077][0078]
由(9)和(13)，得到最小临界电容值c
dc-min
：
[0079]cdc-min
＝max{c
dc-min1
,c
dc-min2
}
ꢀꢀꢀ
(14)。
[0080]
本发明采用仿真的方式验证本发明所述方法的效果，如图4所示，当给定控制量发生改变(16v到14v)发生时，随着电容容值的逐渐降低，调节速度逐渐加快，负超调也逐渐减小，系统的性能得到提升。当输入直流侧电压为35v，fb＝40khz时，c
dc-min
为1.8μf。如图5所示，当c
dc
＝3μf：容值正常，电压波动小，满足能量缓冲要求。c
dc
＝1.8μf：容值临界，电容刚好能满足能量缓冲要求。
[0081]
以上对本发明所提出的无线充电系统buck变换器输入电容临界值设计方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。