LCL諧振型感應電能傳輸系統(tǒng)軟開關方法研究

周繼昆，孫 躍，戴 欣

(1.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川綿陽621900；2.重慶大學自動化學院，重慶400030)

LCL諧振型感應電能傳輸系統(tǒng)軟開關方法研究

周繼昆1，孫 躍2，戴 欣2

(1.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川綿陽621900；2.重慶大學自動化學院，重慶400030)

LCL諧振型感應電能傳輸(IPT)系統(tǒng)由于受到副邊反射阻抗的影響，系統(tǒng)的軟開關頻率會隨著負載的變化而發(fā)生漂移，甚至出現(xiàn)消失的情況。針對上述問題，利用互感耦合建模分析方法，研究了LCL諧振網絡的參數匹配，得出了使系統(tǒng)存在軟開關頻率點的參數邊界約束條件，并利用數值方法研究了系統(tǒng)在變負載情況下的頻率特性。基于理論分析，提出了一種自激振蕩反饋式頻率跟蹤方法，可以使逆變器的工作頻率跟蹤系統(tǒng)的軟開關頻率，搭建了實驗系統(tǒng)對理論分析和頻率跟蹤方法的有效性進行了驗證。

LCL諧振；感應電能傳輸；軟開關；頻率跟蹤

感應電能傳輸(IPT)技術是一種借助于高頻電磁場實現(xiàn)電能無線傳輸的技術，近幾年來受到了學者的廣泛關注[1-3]。IPT系統(tǒng)由原邊諧振變換器和副邊能量拾取機構組成，原邊諧振變換器將直流電能轉換為10～200 kHz的高頻電能并注入到諧振網絡，從而在諧振網絡的發(fā)射線圈周圍激發(fā)一個高頻交變磁場，處于磁場中的副邊能量拾取線圈就會產生感應電動勢，該電動勢驅動負載運行[4-5]。LCL諧振網絡比LC諧振網絡有更大的諧振容量、更高的傳輸效率和更好的濾波特性，LCL諧振變換器已經大量應用于IPT系統(tǒng)中[6]。

為了減小變換器中開關管在工作過程中所承受電壓、電流應力，提高IPT系統(tǒng)的傳輸效率，通常需要逆變器的開關管工作在軟開關模式[7]。但經研究表明，由于原副邊之間的耦合作用，系統(tǒng)的軟開關頻率會受到副邊反射阻抗的影響，LCL型IPT系統(tǒng)的軟開關頻率在負載變化時會發(fā)生漂移[8]。目前，針對LCL諧振型IPT系統(tǒng)，主要通過使逆變器輸出電流斷續(xù)的方式實現(xiàn)軟開關，基于電流斷續(xù)的軟開關方法有移相控制策略[9]、非對稱占空比控制策略[10]、非對稱電壓控制策略[11]，但上述方法會使系統(tǒng)的輸入電流產生嚴重畸變，降低系統(tǒng)的功率因數和傳輸效率，系統(tǒng)的傳輸能力受到一定限制。

本文研究了一種通過使逆變器的工作頻率跟蹤系統(tǒng)軟開關頻率實現(xiàn)軟開關的方法，由于該方法是在逆變器輸出電流連續(xù)模式下實現(xiàn)，可以有效降低輸入電流的諧波含量，提高系統(tǒng)的功率因數。基于系統(tǒng)的互感耦合模型，配置了系統(tǒng)原邊補償參數，并得出了系統(tǒng)參數存在軟開關頻率點邊界約束條件，分析了變負載情況下系統(tǒng)的頻率特性，為本文所采用的軟開關方法提供了理論依據，結合理論分析，提出了一種自激振蕩反饋式頻率跟蹤方法。

1 系統(tǒng)諧振參數匹配

LCL諧振型IPT系統(tǒng)指原邊采用LCL諧振網絡，副邊采用LC或其它諧振網絡的IPT系統(tǒng)。本文以原邊為LCL諧振網絡，副邊為LC并聯(lián)諧振網絡的IPT系統(tǒng)為例進行研究，其它拓撲形式可采用類似的方法進行分析，系統(tǒng)電路拓撲結構如圖1所示。

圖1 LCL諧振型IPT系統(tǒng)電路拓撲

在配置IPT系統(tǒng)諧振參數時，應充分考慮副邊反射阻抗對原邊固有諧振頻率的影響，通過配置原邊補償電容的參數，使原邊的軟開關頻率(逆變器輸出電壓與電流同相位)與副邊固有諧振頻率相等，這樣可以讓系統(tǒng)獲得最大的電能傳輸能力，且無功功率最小[5]。因此，有必要通過系統(tǒng)的互感耦合等效模型來研究原邊補償拓撲參數的設計，互感耦合模型電路如圖2所示，其中和分別為和的有效值，ω為系統(tǒng)的工作頻率，分別為原副邊之間的感應電動勢。

圖2 互感耦合模型電路

系統(tǒng)副邊的等效阻抗為：

當系統(tǒng)的工作頻率等于副邊的固有諧振頻率，即：

將式(2)和式(4)代入式(3)，得：

將式(5)代入式(6)得：

式(10)為系統(tǒng)可實現(xiàn)軟開關工作的參數邊界約束條件，只有當系統(tǒng)滿足此條件時，系統(tǒng)才存在與副邊固有諧振頻率相等的軟開關頻率點。

2 變負載情況下系統(tǒng)頻率特性

設系統(tǒng)參數按50 Ω的負載阻值進行配置，如表1所示，式(11)中ω0為負載為50 Ω時系統(tǒng)的軟開關頻率，ω表示負載變化后系統(tǒng)的軟開關頻率，μ為兩者之比。

表1 系統(tǒng)參數表

設負載電阻值變化范圍為10～90 Ω，步長為10 Ω。當負載發(fā)生變化后，讓歸一化頻率μ在0～2之間變化，步長為0.001，每變化一個步長，計算一次式(3)虛部的值，若計算結果為零，此時的頻率μω0為系統(tǒng)的軟開關頻率。

不同負載下系統(tǒng)的軟開關頻率如圖3所示，系統(tǒng)的軟開關頻率確實會隨著負載的變化而發(fā)生漂移，且歸一化頻率存在兩個實數解，說明系統(tǒng)存在兩個軟開關頻率。以參數設計點(負載50 Ω)為例，歸一化頻率的兩個解分別為μ1=1，μ2=0.87，則系統(tǒng)的兩個軟開關頻率分別為ω0和0.87ω0。

圖3 不同負載對應的軟開關頻率

為了進一步驗證系統(tǒng)在這兩個頻率點上是否都以正弦規(guī)律振蕩，在Matlab/Simulink中搭建了系統(tǒng)的電路拓撲，并以強迫振蕩的方式讓系統(tǒng)工作在這兩個軟開關頻率上，逆變器輸出電壓與電流波形如圖4所示，利用本文給出的系統(tǒng)參數匹配方法所設計的系統(tǒng)參數只有一個呈正弦規(guī)律振蕩的頻率點μ1ω0，當系統(tǒng)在μ2ω0這個頻率點工作時，雖然開關管在電流過零點切換，但逆變器輸出電流出現(xiàn)了很大的畸變，且幅值很小，屬于非正弦特性諧振點，系統(tǒng)不會自激振蕩到這樣的軟開關頻率點上[5]。

圖4 逆變器輸出電壓(虛線)與電流(實線)

3 自激振蕩反饋式頻率跟蹤方法

由于系統(tǒng)只存在一個正弦規(guī)律振蕩的軟開關工作頻率，提出一種自激振蕩反饋式率跟蹤方法，讓逆變器工作頻率跟蹤系統(tǒng)軟開關頻率，利用逆變器的輸出電流的相位特征信號同步逆變器開關管的切換，從而使逆變器的輸出電壓與電流同相位，實現(xiàn)系統(tǒng)的軟開關運行。

在實現(xiàn)閉環(huán)頻率跟蹤控制時，主要要求控制器處理較多的邏輯運算，而FPGA具有很強的邏輯處理能力，因此，本文選用Altera公司的EP2C5T144C8作為控制器，實現(xiàn)頻率跟蹤算法。閉環(huán)頻率跟蹤方法原理圖如圖5所示。

圖5 閉環(huán)頻率跟蹤方法原理圖

式中：邏輯“1”表示開通開關管；邏輯“0”表示關斷開關管。

4 實驗研究

圖6 開關管驅動信號逆變器輸出電流波形

為了驗證上述理論分析的正確性以及頻率跟蹤方法的有效性，根據圖5搭建實驗電路。負載為50 Ω時，首先以強迫振蕩的方式讓系統(tǒng)分別工作于軟開關頻率點μ1ω0和μ2ω0，開關管驅動信號和逆變器輸出電流的波形如圖6所示，當系統(tǒng)工作在軟開關頻率點μ1ω0時，逆變器輸出電流的正弦特性良好，由FFT變化可知諧波含量較低；當系統(tǒng)處于諧振點2時，由驅動波形可知，雖然開關管也在電流的過零點切換，但電流出現(xiàn)了嚴重的畸變且幅值很小，有較大的諧波含量，這與理論分析的結果一致。

在頻率跟蹤實驗中，設置了兩個不同阻值的負載，分別為30和80 Ω，驗證當負載跳變時逆變器的工作頻率是否能夠跟蹤系統(tǒng)軟開關頻率，實驗結果如圖7所示，當負載發(fā)生跳變后，由于副邊反射到原邊的等效阻抗發(fā)生了變化，使得電流的幅值和軟開關頻率也隨之變化，本文設計的頻率跟蹤方法可以使逆變器的工作頻率迅速跟蹤系統(tǒng)軟開關頻率，保證了在諧振電流過零點切換開關管。

圖7 負載跳變時頻率跟蹤效果

5 結論

本文基于對LCL型IPT系統(tǒng)參數匹配方法和頻率特性的研究，提出了一種自激振蕩反饋式頻率跟蹤方法，并搭建了實驗系統(tǒng)，實驗證明，本文設計的軟開關方法可以在較寬負載變化范圍內有效跟蹤系統(tǒng)軟開關頻率，逆變器的開關管對實現(xiàn)ZCS切換，系統(tǒng)輸入電流有較好的正弦特性和連續(xù)性，相對于電流斷續(xù)模式下的軟開關方法[11]，系統(tǒng)的諧波含量明顯減少。本文設計的軟開關方法對其它拓撲結構的IPT系統(tǒng)實現(xiàn)軟開關有一定的指導意義。

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Study on soft-switch method of LCL resonant type IPT system

For LCL resonant type IPT system，the soft-switch frequency is varied or even disappeared with the load because of the reflect impedance from the secondary.To deal with these futures， the mutual inductance coupling model was used to study on the parameter compensation of the LCL resonant network，which obtains the constraint condition of the system parameter that can ensure the system owns a soft-switch frequency point.Moreover，the frequency characteristic was analyzed under the load variation.Based on the theoretical analysis，a self oscillation feedback frequency tracking method was presented， which can make the operate frequency of inventor track the soft-switch frequency.The experimental prototype was built up to validate the theoretical predictions.

LCL resonant;inductive power transfer;soft-switch;frequency tracking

TM 73

A

1002-087 X(2016)04-0885-04

2015-09-15

國家自然科學基金(51277192)；中國工程物理研究院總體工程研究所創(chuàng)新與發(fā)展基金(13CXj24)

周繼昆(1987—)，男，重慶市人，碩士，主要研究方向為感應電能傳輸技術。