用單個(gè)開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)1 000 W感應(yīng)耦合式電能傳輸

齊 飛，王春芳，馬 超，李 聃，孫 會(huì)

（1青島大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島266071；2．海爾集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心，山東 青島266103）

0 引 言

近幾年，電磁感應(yīng)耦合電能傳輸技術(shù)（Inductively Coupled Power Transmission，ICPT）已逐漸成為研究的熱點(diǎn)［1］。隨著研究人員對(duì)ICPT技術(shù)研究不斷深入，在原副邊補(bǔ)償拓?fù)浞矫嬉讶〉昧嗽S多進(jìn)展［2，3］。目前原邊諧振電路多采用全橋或半橋逆變拓?fù)洌?－6］，而這兩種逆變拓?fù)渚嬖诔杀据^高、體積較大、控制復(fù)雜等缺點(diǎn)。

本文提出了一種僅用一個(gè)開(kāi)關(guān)管逆變就能實(shí)現(xiàn)ICPT的系統(tǒng)。該ICPT系統(tǒng)可在原邊發(fā)射線圈和副邊接收線圈相距35 mm的范圍內(nèi)，使傳輸功率達(dá)到1 kW。通過(guò)脈頻調(diào)制（PFM）和脈寬調(diào)制（PWM）相結(jié)合的控制方式，在負(fù)載或輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，該ICPT系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)恒壓輸出。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1所示為單管ICPT系統(tǒng)框圖。該系統(tǒng)初、次級(jí)電路均采用并聯(lián)補(bǔ)償方式，這種補(bǔ)償方式可以在提高品質(zhì)因數(shù)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)大功率傳輸。過(guò)零檢測(cè)電路用來(lái)檢測(cè)開(kāi)關(guān)管是否實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通（ZVS）。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 等效電路模型

本文采用基于互感的數(shù)學(xué)模型將原副邊電路進(jìn)行等效變換，圖2所示即為該設(shè)計(jì)的等效模型。該模型很好地反映了電能傳輸關(guān)系，為確定電路參數(shù)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)ZVS提供了依據(jù)。

圖2 系統(tǒng)等效模型

該變換器通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管Q的開(kāi)通和關(guān)斷實(shí)現(xiàn)電路諧振，從而將能量從原邊傳輸?shù)礁边叄_(kāi)關(guān)過(guò)程如圖3所示。一個(gè)周期內(nèi)電壓諧振變換器的工作過(guò)程分為四個(gè)階段來(lái)討論。

（1）［t0～t1］：電感充電階段。定義開(kāi)關(guān)管剛剛有電流的時(shí)刻為t0。按照主開(kāi)關(guān)零電壓開(kāi)通的特點(diǎn)，t0時(shí)刻，主開(kāi)關(guān)上的電壓UQ＝0。如圖3（a）所示，主開(kāi)關(guān)開(kāi)通后，電源電壓Ud加在與Cp的并聯(lián)支路兩端，此時(shí)Uc＝Ud，流過(guò)主開(kāi)關(guān)管Q的電流iq與流過(guò)的電流il相等。可得下列方程：

分析可知在一個(gè)周期內(nèi)，il（t）等于零時(shí)，對(duì)應(yīng)uc（t）的兩個(gè)極值點(diǎn)，此時(shí)若極大值點(diǎn)等于輸入電壓ud，則可以實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通，由此可求得滿足零電壓開(kāi)通的臨界條件。

（3）［t2～t3］：諧振階段二。如圖3（c）所示，t2時(shí)刻，電感電流il下降為零并且開(kāi)始反向增加。由于該階段較上一階段電路結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生變化，所以可得方程如式（4）。

（4）［t3－t4］：電感放電階段。t3時(shí)刻開(kāi)關(guān)管閉合，由于二極管導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管電壓被鉗位于零，沒(méi)有電流通過(guò)，如圖3（d）所示。該階段與［t0～t1］階段有相同電路結(jié)構(gòu)，可得方程如式（1）。

圖3 工作過(guò)程

3 控制方法

本設(shè)計(jì)要求在滿足可變負(fù)載的前提下實(shí)現(xiàn)恒壓輸出，即無(wú)論負(fù)載是哪一個(gè)功率等級(jí)，輸出端的電壓要求不變。由于該電路中開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通和關(guān)斷階段都有能量傳到次級(jí)，所以PWM調(diào)節(jié)對(duì)于恒壓控制作用不大，但是在檢測(cè)開(kāi)關(guān)管是否實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通時(shí)需要用到PWM調(diào)節(jié)。

本文采用PFM和PWM相結(jié)合的方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。圖4所示為電壓增益隨頻率的變化曲線，由該圖可知存在一個(gè)最佳頻率使得系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最大傳輸增益，并且當(dāng)進(jìn)行負(fù)載切換時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)恒壓控制。

圖4 電壓增益隨頻率的變化曲線

該設(shè)計(jì)采樣控制簡(jiǎn)易流程圖如圖5所示，通過(guò)采樣環(huán)節(jié)采集到輸出端的有效值，將有效值和給定值進(jìn)行比較，進(jìn)而控制開(kāi)關(guān)頻率的增大或減小。這種控制方法可以在變負(fù)載的情況下快速實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

圖5 簡(jiǎn)易控制流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，采用設(shè)計(jì)出的電路進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，圖6所示為開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形Ug和承受的耐壓波形UQ，由于對(duì)參數(shù)設(shè)定的合理性，可以使電路實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通和零電壓關(guān)斷，這就極大提高了電能的傳輸效率。

圖6 開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形和耐壓波形

圖7所示為負(fù)載由1 000 W切換到500 W，再由500 W切換到1 000 W時(shí)的輸出電壓Uo波形，PFM 和PWM的調(diào)制作用，使得電壓在很短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到恒定值，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 輸出電壓波形

5 結(jié) 論

和傳統(tǒng)的全橋或半橋逆變電路相比，該系統(tǒng)的單個(gè)開(kāi)關(guān)管所承受的耐壓要稍高一些，通過(guò)等效分析可知，合理的參數(shù)選擇不僅可以有效地控制開(kāi)關(guān)管耐壓，而且能夠使之實(shí)現(xiàn)ZVS。PFM＋PWM的控制方法，使得系統(tǒng)在切換負(fù)載或者輸入電壓變化時(shí)實(shí)現(xiàn)恒壓輸出，滿足了不同功率等級(jí)的應(yīng)用要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電能的高效利用。

［1］ 曾 翔．無(wú)線電力傳輸技術(shù)研究［J］．硅谷，2010（10）：82－82．

［2］ Zhou W，Ma H．Design considerations of compensation topologies in ICPT system ［C］．Applied Power Electronics Conference， APEC 2007－Twenty Second Annual IEEE，2007．

［3］ Juan L V，Jesus S，Jose F S O，etal．High－Misalignment Tolerant Compensation Topology For ICPT Systems［J］．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2012，59（1）：945－951．

［4］ 馬 皓，周雯琪．電流型松散耦合電能傳輸系統(tǒng)的建模分析［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，20（10）：66－71．

［5］ 杜貴平，盛松濤，張 波，等．感應(yīng)耦合式無(wú)接觸電能傳輸系統(tǒng)建模及仿真［C］．中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)第十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)，2008．

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