基于無接觸式供電的高頻逆變消除諧波方法的研究

摘 要：隨著科技的發展，無接觸式供電技術應用越來越廣泛。本文在研究了無接觸式供電系統的結構和原理之上，針對其關鍵技術之一的高頻逆變技術進行了分析，并提出了一種基于移相PWM疊加消除諧波的方法，有效的消除了諧波。

關鍵詞：無接觸式供電，高頻逆變，諧波

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.173

1 引言

在手機、平板電腦等移動終端非常普及的今天，傳統的插頭、插座式的供電方式給人們的使用帶來很大的困擾，尤其是不同的移動終端所采用的充電器的不同，使得人們在使用的過程中不得不隨身攜帶多個充電器。因此尋求一種方便、快捷的新型供電技術就顯得非常必要。無接觸式供電技術采用空氣作為耦合介質，利用高頻電磁感應向電子設備進行供電，無需輸電線路和電子設備進行電氣連接，因而具有使用方便、移動靈活等特點。所謂逆變技術指的是把直流電（DC）轉變為正弦交流電（AC）的技術，在無接觸式供電中，由于其采用空氣為傳輸介質，空氣的磁導率很低，大的空氣間隙導致了磁感的降低和漏感的增強，耦合系數很小，從而使得其供電效率很低，而高頻逆變技術正好為解決無接觸式供電的效率問題提供了很好的解決方案。

2 無接觸式供電技術

無接觸式供電的工作原理類似于傳統的變壓器電力傳輸，如圖1所示。傳統的變壓器的原邊線圈和副邊線圈通過一個完整的磁芯連接，原邊和副邊產生的磁通在磁芯中形成閉合的磁路。而無接觸式供電系統中原邊和副邊是分開的（此種形式也被稱為分離變壓器），兩者之間通過高頻電磁感應，從而在副邊線圈中得到感應電動勢，并通過一定的方式將此感應電動勢輸送至用電設備。

圖2 為無接觸式供電技術的能量傳輸方式，由電網輸出的兩相或者三相的工頻電源在經過整流濾波以及功率因數校正等處理之后轉變為平穩的直流電流，該直流電流經過逆變電路的高頻逆變之后轉變為高頻正弦交流電流并加載在分離式變壓器的原邊繞組線圈上，通過電磁感應，經過可分離變壓器耦合后，在副邊繞組線圈中得到感應電動勢，在經過整流濾波和功率調節等處理后該感應電動勢即可作為用電設備的供電來源。

3 高頻逆變技術

在無接觸式供電系統中，原邊和副邊之間的傳輸介質是空氣，由于空氣的磁導率很低，因此原邊和副邊處于松耦合狀態，原邊線圈和副邊線圈之間的電能傳輸關系并不像傳統的變壓器那樣成正比即匝數比關系，因此傳輸效率很低。無接觸式供電系統的原邊和副邊之間的關系可以類比于電磁互感模型。設副邊磁芯線圈得到的感應電動勢有效值為Vs；原邊線圈加載的正弦交流電的角頻率為w；原邊線圈和副邊線圈之間的互感為M；原邊線圈加載的正弦交流電的有效值為Ip，則有以下關系：

Vs=jwMIp （1）

由式（1）可知，為了提高無接觸式供電系統的效率，可以通過以下三種方案：（1）增大原邊線圈和副邊線圈之間的互感值；（2）增大原邊線圈加載的正弦交流電的有效值Ip；（3）增大原邊線圈加載的正弦交流電的角頻率值w。原邊線圈和副邊線圈之間的互感值M是由無接觸式供電系統結構所決定的，一般設計好結構之后就不更改了，所以第一種方案是不可行的。而在第二種方案中，由于原邊線圈的大小也是在系統結構設計時決定的，所以在使用過程中增加原邊線圈的電流會導致線圈過載而燒壞。因此，要提高傳輸效率最適當的方式即增大原邊線圈加載的正弦交流電的角頻率值w。可以發現如果將電網輸出的50Hz/60Hz的工頻交流電直接加載在原邊線圈上很難實現無接觸式的供電，因此為確保原邊線圈和副邊線圈之間能夠進行有效的電能傳輸，則必須對工頻交流電進行整流、濾波以及高頻逆變處理使之變為高頻正弦交流電之后才能加載于原邊線圈上。所以，高頻逆變技術是整個無接觸式供電系統中的關鍵技術之一。逆變電路一般分為三種，分別是全橋式逆變電路、半橋式逆變電路和推挽式逆變電路，三種電路的電路。

4 移相PWM疊加消除諧波方法

全橋式逆變電路通常輸出的是周期性的方波，但在實際應用中我們往往會將方波電壓轉化為正弦波電壓，因為正弦電壓可以很方便的利用變壓器進行電壓的變化而且正弦量變化比較平滑，不會引起電壓的突變。

針對一些特殊波形，方波電壓的傅里葉三角展開式有如下特點：

（1）偶函數（f（t）=f（-t））：將f（t）=f（-t）帶入式（2），得到正弦項系數bn=0，即偶函數的傅里葉三角展開不含SIN項。

（2）奇函數（f（t）=-f（-t））：將f（t）=-f（-t）帶入式（2），得到余弦項系數an=0，即奇函數的傅里葉三角展開不含COS項。

（3）零點對稱（f（t）=-f（t+T/2））：將f（t）=-f（t+T/2）帶入式（2），得到余弦項系數an=0，且正弦項系數bn=0，即零點對稱函數的傅里葉三角展開式沒有偶數次諧波分量。

由式（2）可知，高頻逆變輸出的周期性方波是由一個基波以及此基波的多次諧波疊加而成，這些諧波會對無接觸式供電系統的運行造成干擾，降低系統的供電效率，因此要對高頻逆變輸出的方波進行消除諧波處理。通過對特殊波形的傅里葉三角展開式分析后得知，如果高頻逆變輸出的方波為一個關于零點對稱的奇函數波形的話，則可以消除方波中的余弦分量和偶數次諧波，但奇數次諧波沒法消除。因此本文提出了以一種移相PWM疊加消除諧波方法，該方法主要是利用兩個不同相位的波形相疊加，通過波形的干涉來消除逆變輸出方波中指定次數的諧波，波形之間的相位差則根據需要消除的諧波次數確定。移相PWM疊加消除諧波的電路由兩個相同的全橋式逆變電路所組成，輸入直流電壓為Vd，在兩個逆變電路的輸出端利用兩組變壓器將左右兩部分的逆變輸出電壓疊加，最終逆變輸出電壓為Vo，如圖3所示。

通過控制圖4左側的四個功率開關管（Q1至Q4）的先后導通順序，使得在左側全橋逆變電路的輸出端得到一個逆變輸出電壓值V。四個功率開關的導通順序及對應的輸出電壓的值V如表1所示。

5 結束語

本文介紹了無接觸式供電系統的原理和基本結構，對其中的關鍵技術高頻逆變進行了研究，并針對高頻逆變輸出的周期性方波的諧波消除方法進行了理論分析了，提出了一種移相PWM疊加消除諧波的方法，這種方法能夠有效的消除高頻逆變輸出電壓中的諧波，并為后續的實際應用提供了很好的理論支撐。

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項目來源：南京航空航天大學金城學院大學生創新基金項目—“基于電磁耦合感應技術的小型電力無線傳輸”。

作者簡介：蘇銘，碩士研究生，講師，研究方向：柔性制造及其自動化、運動控制。