感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)輸出電壓調(diào)壓電路研究

孫 躍 陳 宇 唐春森 王智慧 戴 欣

（1.重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 重慶 400030 2.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400030）

1 引言

感應(yīng)電能傳輸（IPT）是利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)非接觸無(wú)線電能傳輸?shù)募夹g(shù)，具有安全、可靠、環(huán)保等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品[1]、家用電器、生物醫(yī)電[2]、電動(dòng)汽車[3]等領(lǐng)域。

在IPT系統(tǒng)中，輸出電壓受原邊電流、頻率、線圈距離（互感）、負(fù)載、諧振參數(shù)等多種因素的影響。為了保證在輸出端獲得穩(wěn)定的輸出電壓，常見(jiàn)的方法有：（1）在副邊利用DCDC調(diào)壓電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓[4]；（2）調(diào)節(jié)原邊輸出電流/電壓等參數(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓[5]。增加DCDC調(diào)壓電路會(huì)帶來(lái)體積、效率等問(wèn)題,除此之外，整流環(huán)節(jié)對(duì)于DCDC調(diào)壓電路是必不可少的。而對(duì)于無(wú)需整流的加熱、照明等應(yīng)用，增加整流環(huán)節(jié)又引入了不必要的損耗。采用調(diào)節(jié)原邊電流/電壓的方法可以簡(jiǎn)化副邊的電路結(jié)構(gòu)，但是需要引入額外的通信環(huán)節(jié)。除此之外，為了控制原邊電流/電壓，一定程度上會(huì)增加原邊電路的復(fù)雜度，同樣會(huì)帶來(lái)體積、功耗、價(jià)格等問(wèn)題。

本文提出一種用于IPT系統(tǒng)副邊的調(diào)壓電路。此電路利用IPT系統(tǒng)自身的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)，在交流側(cè)實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)，對(duì)于無(wú)需整流的場(chǎng)合有較好的效果。文中首先利用基波近似法對(duì)提出的電路進(jìn)行了分析，得到輸出電壓與控制輸入的關(guān)系式,然后分析了利用單向開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)化電路，最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了電路的有效性。

2 基本電路及分析

2.1 基本電路

調(diào)壓電路如圖 1所示，除副邊線圈LS與負(fù)載RL外，調(diào)壓電路還包括2個(gè)電容 CS1、CS2及雙向開(kāi)關(guān)S1。CS1與CS2的大小由副邊電感 LS及原邊電流頻率ω確定，滿足：

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic of system

圖中IP為原邊線圈電流，IS為副邊電流，IS1為流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流，ICS1、ICS2分別為流過(guò)電容CS1、CS2的電流，IO為輸出電流。

為了簡(jiǎn)化分析，可以將副邊線圈等價(jià)為一個(gè)交流電壓源與一個(gè)電感串聯(lián)（電壓型），或一個(gè)交流電流源與一個(gè)電感并聯(lián)（電流型）[6]，等效電路圖如圖2所示。本文采用電壓型等效，其中電感PL等于副邊線圈自感，電壓源SU滿足：

圖2 副邊等效原理圖Fig.2 Equalvent schematic of secondary side:(a)Voltage-fed(b)Current-fed

當(dāng) S1閉合時(shí)，電容CS1被短路，電路等價(jià)于并聯(lián)諧振型副邊電路，其輸出電壓為[7]：

其中品質(zhì)因數(shù)Q為：

當(dāng)S1斷開(kāi)時(shí)，LS與CS1形成串聯(lián)諧振電路，因此負(fù)載RL兩端的電壓滿足：

當(dāng)S1以一定占空比d周期通斷時(shí)，系統(tǒng)輸出電壓UOd滿足：

通過(guò)控制占空比d即能實(shí)現(xiàn)輸出電壓的控制。

為了減小開(kāi)關(guān)損耗，提高系統(tǒng)效率，S1采用ZVS軟開(kāi)關(guān)控制。在電容CS1兩端增加電壓過(guò)零檢測(cè)，當(dāng)電壓UCS1過(guò)零時(shí)開(kāi)通S1，開(kāi)通占空比則由閉環(huán)控制算法決定。

2.2 輸出電壓分析

本文通過(guò)基波近似法計(jì)算開(kāi)關(guān)占空比為d時(shí)開(kāi)關(guān)與CS1并聯(lián)后的等效阻抗ZCS1，從而獲得輸出電壓與占空比d之間的關(guān)系。

當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，副邊電流近似為正弦波，而CS1兩端電壓及電流如圖3所示：

圖3 系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)C1S兩端電壓及電流Fig.3 Voltage and current waveform of C1S at stable state

設(shè)副邊電流表達(dá)式為：

且t0時(shí)刻系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，且滿足：t0ω+θ=2nπ+π/2，其中n為正整數(shù)。則CS1從 t0到t0+T時(shí)刻的電流滿足：

iCS1(t)通過(guò)傅里葉變換可表示為：

其中：

將（8）代入（10），可得

則iCS1(t)的基波分量為：

uCS1(t)的基波分量為：

對(duì)于CS1與開(kāi)關(guān)并聯(lián)后的等效電容，其電壓等于CS1兩端電壓，而電流為副邊線圈電流，因此其等效阻抗為：

副邊電流可表示為：

系統(tǒng)輸出電壓為：

將（4）、（14）、（15）代入（16），可得輸出電壓表達(dá)式為：

當(dāng)Q=6，US=50 V時(shí)，輸出電壓與占空比關(guān)系圖如圖4所示：

圖4 輸出電壓曲線，其中Q=6，US=50 VFig.4 Output voltage curve when Q=6,US=50 V

從圖4中可以看出，利用本電路能實(shí)現(xiàn)輸出電壓從US到QUS之間的調(diào)節(jié)。

3 簡(jiǎn)化電路

圖1中的電路采用雙向開(kāi)關(guān)S1對(duì)輸出電壓進(jìn)行控制，而常用的開(kāi)關(guān)器件MOSFET與IGBT均為單向開(kāi)關(guān)，雙向開(kāi)關(guān)的引入，在一定程度上會(huì)影響系統(tǒng)的成本、效率。對(duì)于本文提出的電路，可以采用單個(gè)MOSFET或IGBT代替雙向開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)類似的調(diào)壓功能。

用單向開(kāi)關(guān)替換雙向開(kāi)關(guān)會(huì)導(dǎo)致輸出電壓存在直流偏置的情況，可以通過(guò)在系統(tǒng)輸出串聯(lián)一個(gè)隔直電容 CS3克服這個(gè)問(wèn)題。簡(jiǎn)化后的系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

圖5 采用單向開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)化原理圖Fig.5 Simplified schematic with unidirectional switch

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述電路的有效性，建立仿真模型分別對(duì)雙向開(kāi)關(guān)的基本電路與單向開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)化電路進(jìn)行仿真。同時(shí)對(duì)簡(jiǎn)化電路增加閉環(huán)控制，驗(yàn)證在負(fù)載變化條件下系統(tǒng)的穩(wěn)壓效果。仿真系統(tǒng)原邊采用并聯(lián)諧振，仿真參數(shù)如表1所示：

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation Parameters

開(kāi)始仿真后20 ms內(nèi)保持占空比為0，之后每2 ms將占空比增加5%，仿真結(jié)果如下圖所示：

圖6 基本電路仿真結(jié)果Fig.6 Simulation result of basic circuit

從圖中可以看出，當(dāng)占空比較小時(shí)，輸出電壓增長(zhǎng)較慢，隨著占空比的增加，輸出電壓增長(zhǎng)變快。其輸出電壓特性與Boost電路較為接近，且與圖 4所示曲線一致。

采用單向開(kāi)關(guān)，且不增加隔直電容時(shí)，改變占空比，其輸出電壓如圖7a所示，輸出電壓展開(kāi)后的波形如圖7b所示。

可以看出，輸出電壓存在直流偏置的現(xiàn)象。除此之外，使用單向開(kāi)關(guān)時(shí)，其輸出電壓特性與雙向開(kāi)關(guān)時(shí)類似。

增加隔直電容后，仿真結(jié)果如圖8所示。

其結(jié)果與圖6、圖7結(jié)果類似。圖8（b）為系統(tǒng)負(fù)載從800 Ω切換為400 Ω再切回800 Ω時(shí)的輸出電壓及占空比波形，可以看出，系統(tǒng)有較好的穩(wěn)壓效果。通過(guò)改進(jìn)控制算法可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。

圖7 不添加隔直電容時(shí)的仿真結(jié)果Fig.7 Simulation result without DC blocking capacitor in circuit.(a)Output voltage and dutycycle.(b)Output voltage waveform at small time scale

圖8 增加隔直電容后的仿真結(jié)果Fig.8 Simulation result with DC blocking capacitor in circuit.(a)The waveform of output voltage when dutycycle is changed.(b)The waveform of output voltage and dutycycle when load is changed.

圖9中為開(kāi)關(guān)管兩端電壓、電流，在開(kāi)通時(shí)，系統(tǒng)在電壓為0時(shí)開(kāi)通，開(kāi)通后電壓為0。關(guān)斷時(shí)，由于電容Cs1的存在，兩端電壓不會(huì)立即上升。可以看出，系統(tǒng)在開(kāi)、關(guān)時(shí)均滿足ZVS條件。

圖9 開(kāi)關(guān)管兩端電壓及流過(guò)的電流Fig.9 Voltage and current of switching device

5 結(jié)論

本文提出一種應(yīng)用于 IPT系統(tǒng)副邊的調(diào)壓電路。利用基波近似法分析了電路的輸出特性，并提出、分析了利用單向開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)化電路。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。

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