電流型IPT系統新型輸出恒壓控制方法研究

闞超豪 朱曉威 程 源

（合肥工業大學電氣與自動化工程學院，合肥 230009）

電流型IPT系統新型輸出恒壓控制方法研究

闞超豪 朱曉威 程 源

（合肥工業大學電氣與自動化工程學院，合肥 230009）

針對電流型感應電能傳輸（IPT）系統負載變化時輸出電壓的穩定性問題，提出一種基于恒定跨阻增益特性的原邊控制方法。以電流型IPT系統采用初次級并聯（PP）補償為研究對象，建立其互感等效電路并進行分析，推導出在特定工作條件下該拓撲具有恒定跨阻增益特性。并進一步分析了PP補償諧振網絡的效率特性，優化諧振網絡參數使系統恒定跨阻增益頻率為效率最優頻率。為保持原邊輸入直流母線電流恒定，在傳統電流型感應電能傳輸拓撲中加入恒流控制系統，并闡述了恒流控制原理。本文還提出了基于新型控制方法在給定條件下的IPT系統綜合設計方法。最后，設計一臺80W樣機，實驗結果與理論分析良好吻合，驗證了論文所提控制方法的正確性。

電流型感應電能傳輸；恒定跨阻增益；效率優化；恒流；非接觸變壓器

IPT系統是基于電磁感應原理實現“無線供電”的新型電能傳輸模式，與傳統供電模式相比，具有安全、靈活、環境適應能力強等優點。在電動汽車、小家電以及易燃易爆、水下等特殊環境的用電設備等方面有廣闊的應用前景[1-5]。

IPT系統負載變化容易導致系統輸出性能下降，因此需要采用合適的控制方法保證輸出性能的穩定。對于電流型IPT系統文獻[6]提出在副邊增加相控電抗器，通過控制相控電抗器的導通延遲角來改變導通電流大小，使負載端獲得穩定的輸出電壓。文獻[7]的控制方法是采用副邊加入Boost環節調壓來實現原、副邊解耦。以上控制方法雖然都能夠實現在一定負載范圍內輸出穩壓，但增加了系統的控制成本和副邊電路結構的復雜性。

在此提出基于電流型IPT系統恒定跨阻增益特性的原邊控制方法。恒定跨阻增益特性是指系統工作在恒定跨阻增益頻率下，只要保證系統原邊輸入直流母線電流恒定，副邊輸出電壓即恒定的特性。該控制方法具有控制成本低和副邊電路結構簡單的優點。以PP補償為例分析了其恒定跨阻增益特性和諧振網絡效率特性，優化諧振網絡參數使系統的恒定跨阻增益頻率為效率最優頻率。同時，在系統輸入電源端加入Buck變換器，通過控制其占空比保持輸入直流母線電流等于設置的恒流控制目標。本文從恒流控制目標出發，提出了基于新型控制方法在給定變壓器材料和尺寸、氣隙、輸入輸出電壓、效率最優、最大輸出功率條件下包括諧振網絡參數、恒流控制目標和非接觸變壓器設計在內的IPT系統綜合設計方法。

1 系統原理與恒定跨阻增益特性分析

1.1 電流型PP補償IPT系統結構

電流型 PP補償 IPT系統包括原邊與副邊兩部分，系統結構如圖1所示，原邊主要包括由直流電壓源Uin和輸入濾波電感Ldc組成的等效電流源、高頻逆變功率管V1—V4、串聯緩沖電感L1—L4、環流阻斷二極管VD1—VD4、原邊補償電容Cp及原邊發射線圈電感Lp。副邊主要包括副邊接收線圈電感Ls副邊補償電容Cs及負載R。M為原、副邊線圈互感，k為原、副邊線圈耦合系數，可表示為：

圖1 PP補償IPT系統結構

1.2 恒定跨阻增益特性分析

根據互感模型法對主電路進行分析，電流型IPT系統采用PP補償的分離互感等效電路如圖2所示。圖 2中：Rp、Rs為原、副邊線圈等效串聯電阻，Zr為副邊折射會原邊的反射阻抗。

式中，Zs為副邊等效阻抗，Zs=jωLs+Rs+R/(1+jωCsR)。原邊輸入總阻抗Zin為

式中，Z1=ω2M2+jω3CsR；Z2=R+jωLs?ω2LsCsR+ Rs(1+jωLsR)。

圖2 PP補償分離互感等效電路

由圖2可得，副邊輸出電壓可表示為

原邊輸入電流Idc的基波分量為

由于Rp、Rs與負載電阻R相比很小，對跨阻增益影響很小，為了便于分析，忽略其影響。由式（3）、式（4）可得跨阻增益為

式中，Δ=jωLs(1?ω2LpCp)+jω3M2Cp，p=1?ω2LpCp，q=1?ω2LsCs。

當Δ=0時，系統的跨阻增益與負載無關，對應的恒定跨阻增益角頻率ωN為

相應的跨阻增益為

由式（6）可知，恒定跨阻增益頻率略高于諧振網絡固有諧振頻率，諧振網絡呈弱容性，滿足逆變功率管的軟開關條件。

2 諧振網絡效率優化分析

PP補償IPT系統的有功損耗主要集中在諧振網絡中，本部分通過分析PP諧振網絡的效率特性，結合其恒定跨阻增益特性，優化諧振網絡參數使系統恒定跨阻增益頻率為效率最優頻率。由于諧振電感線圈的等效串聯電阻比諧振補償電容的等效串聯電阻大的多，所以在分析效率時只考慮電感線圈的等效串聯電阻的損耗。諧振網絡的總效率η 可表示為

式中，ηp為原邊效率；ηs為副邊效率。

對于PP補償網絡，效率表達式為

式中，Qp為原邊線圈品質因數，QP=ωLp/Rp；Qs為副邊線圈品質因數，Qs=ωLs/Rs；QL為負載品質因數，

令dη/dω=0可得

經驗證效率在ωM處取得最大值。一般原、副邊線圈選擇相同的導線，QP=Qs，且QLQs>>1，所以ωM的值與負載無關。使ωM=ωN，此時諧振網絡參數滿足：

相應的跨阻增益為

3 恒流控制系統設計

為了保持輸入直流母線電流恒定，在輸入電源端加入Buck型變換器，系統框圖如圖3所示，Va、Vb為Buck環節功率管，兩管互補導通，電感Li和電容 Ci支路的作用是在工作過程中使 Va、Vb管中電流反向，為兩管的軟開關提供條件，具體軟開關過程請參考文獻[8]，本文不再贅述。為了保證Buck環節與逆變環節同步工作，Buck環節工作頻率應為逆變環節的兩倍[9]。控制系統通過采樣電感電流峰值，前饋與恒流控制目標 It比較，控制功率管驅動脈沖占空比，從而使電感電流峰值保持恒定。選擇合適大小的輸入濾波電感使輸入電流紋波達到要求，此時電感電流峰值近似等于電感電流平均值，達到控制輸入直流母線電流恒定的目的。

3.1 恒流控制目標和非接觸變壓器設計

恒流控制目標和非接觸變壓器的設計是恒定跨阻增益控制方法的關鍵，諧振網絡參數、輸出功率、效率等都與兩者有關。由式（3）可得輸入相角?為

圖3 恒流控制系統框圖

Buck環節和逆變器環節的有功損耗主要包括功率管和二極管的導通損耗、輸入濾波電感和串聯小電感等效電阻損耗。設以上損耗的等效損耗電阻為Req，系統最大輸出功率為Pout，恒流控制目標為It，則原邊輸入視在功率Sin為

根據文獻[5]中 Buck環節功率管軟開關的實現條件，可得Va管驅動脈沖最大占空比為D，則實際需要輸入的電流Idc為

非接觸變壓器采用文獻[10]提出的帶有平面磁心和鋁屏蔽層結構，此結構具有耦合系數大、漏磁通小等優點，結構如圖4所示。文獻[11]給出了線圈螺旋繞制且繞組半徑不超過磁平面半徑一半時的自感、互感的計算方法。

圖4 非接觸變壓器結構

非接觸變壓器參數和恒流控制目標與輸出功率、效率等設計指標相互關聯，需要通過迭代才能設計出滿足變壓器材料和尺寸、氣隙、輸入輸出電壓、效率最優、最大輸出功率條件的非接觸變壓器和恒流控制目標。已知耦合系數為 k，輸出電壓為Uout，迭代過程如圖5所示，設計步驟如下：

1）初選恒流控制目標It，將It、Uout、k帶入式（12）可得滿足輸出電壓要求的Ls/Cp值。

2）為了簡化設計，令Cp=Cs，為達到效率最優，由式（11）可得Lp/Ls的值。

3）初選補償電容值Cp、Cs，可得Lp、Ls的值，如果此時的恒定跨阻增益頻率超過磁心的頻率范圍，則增大Cp、Cs的值重新計算。設每層繞制匝數為X，共Y層，可得匝數N=XY。初選X=1、Y=1，根據文獻[7]中的公式Lpeq、Lseq計算，如果Lpeq、Lseq小于Lp、Ls，則在Y不變的情況下增大X，重新根據公式迭代計算，當線圈半徑超過磁面半徑一半時，保持X不變增大Y。

4）在步驟3）中增大Y會增大變壓器尺寸，當變壓器尺寸超過規定尺寸時，需要減小Cp、Cs，返回步驟 3）重新迭代計算，減小變壓器尺寸，使其滿足要求。

5）根據設計出非接觸變壓器計算Rp、Rs，結合Cp、Cs、Lp、Ls、Req帶入式（9）、式（13）求出效率和輸入相角，進而結合It、D、Uin由式（14）、式（15）計算得到實際輸入電流 Idc。如果 It＜Idc，則增大恒流控制目標返回步驟 1）重新計算，即增大輸出功率，使其滿足輸出功率要求。

圖5 IPT系統設計流程

由于沒有考慮電路寄生參數的影響，所以實際設置的恒流控制目標略高于設計值，相應的調整補償電容大小來滿足輸出電壓要求，非接觸變壓器的設計不需要改變。

4 實驗

為了驗證上述分析，按圖3搭建了一臺80W原理樣機，主要樣機參數：直流側輸入電壓Uin=24V；Buck環節最大占空比 D=0.94；輸入濾波電感Ldc=1mH；原、副邊補償電容Cp=Cs=2.5μF；恒定跨阻增益頻率fN=25kHz；輸出電壓峰值Uout=40V；控制系統以LM5041級聯PWM控制器為核心。根據文章第4部分的分析，設置恒流控制目標It=4A，非接觸變壓器磁心選用TDK公司的鐵氧體材料PC40，磁心尺寸為 100mm×100mm×10mm，氣隙長度 d=10mm。線圈選用 0.1mm×300股絲包線繞制，原邊共三層，每層 10匝，副邊共三層，前兩層每層 10匝，第三層6匝，QP=Qs=200。按照文獻[11]的計算方法得到的非接觸變壓器參數計算值與實測值對比見表1，可見兩者基本吻合。

表1 非接觸變壓器參數計算值與實測值

圖6（a）、（b）分別給出負載為 50Ω和 10Ω時的功率管Va驅動脈沖ugva、輸入直流母線電流Idc、輸出電壓Uout波形。可見，Buck環節工作頻率是逆變環節的兩倍，Idc、Uout在負載變化時保持不變。由于Buck環節和原邊逆變電路切換造成Idc0.2A左右的紋波擾動，達到設計要求。

圖6 不同R下的穩態實驗波形

圖7給出了負載從10Ω跳變到50Ω時，Idc、Uout的動態波形。由圖可見，在控制作用下Idc經歷了1個1.2A左右的超調，Uout經歷了1個11V左右的超調，經過 500μs左右的調節過程后進入穩態，圖 7與圖6穩態波形一致。實驗結果說明恒流控制系統對于負載變化具有較好的抑制作用，也驗證了上文分析與設計的有效性和正確性。

圖7 負載跳變動態實驗波形

圖8 效率隨工作頻率的變化曲線

圖8為不同負載電阻條件下系統的效率隨工作頻率變化曲線。可見，恒定跨阻增益頻率為效率最優頻率，最高效率達到90.6%。

5 結論

本文對基于恒定跨阻增益特性的電流型IPT系統輸出恒壓控制策略進行研究，理論分析和實驗驗證表明：當系統工作在恒定跨阻增益頻率時，輸出電壓僅于輸入直流母線電流有關，與負載無關，且恒定跨阻增益頻率為系統效率最優頻率，最高效率達到 90.6%。恒流控制系統具有很快的動態響應速度和良好的穩態精度。實驗結果驗證了本文提出的基于新型控制方法的電流型IPT系統綜合設計方法的有效性。

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Research on Novel Constant-voltage Output Control Method for Current-fed IPT System

Kan Chaohao Zhu Xiaowei Cheng Yuan
(School of Electrical &Automatic Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009)

The current-fed inductively power transfer (IPT) system,aiming at the Output-Voltage-instability problem on a dynamic load,based on the constant transimpedance gain characteristics of the primary side control method is proposed.Taking current-fed IPT system with parallel-primary and parallel-secondary (PP) compensate as an object,by building and analyzing the mutual inductance equivalent circuit,had the characteristics of constant-transimpedance-gain under certain working conditions are derivated.And the efficiency characteristics of PP compensated resonant network are analyzed,optimization of resonant network parameters make the system constanttransimpedance-gain frequency for the efficiency of the optimal frequency.In order to maintain the constant input bus current,the constant-current control system is added in the traditional current-fed IPT topology,and the principle of constant-current control is described.This paper gave design steps based on the novel control method under given conditions.Finally,designed a 80W prototype,the experimental results are in good agreement with the theoretical analysis and the correctness of the circuit topology and control strategy is verified.

current-fed IPT system;constant transimpedance gain;efficiency optimization;constant current;contactless transformer

闞超豪（1974-），男，安徽省宿州人，博士，副教授，碩士生導師，研究方向為感應電能傳輸、特種電機及其控制。

國家自然科學基金資助項目（51377040）