無線充電系統不對稱半橋反激PFC電路研究

邵明鋒

（江南大學 物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122）

無線充電系統不對稱半橋反激PFC電路研究

邵明鋒

（江南大學 物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122）

為了減輕無線充電過程中對電網造成的諧波污染，本文結合不對稱半橋變換器和反激變換器的優點，設計了無線充電系統不對稱半橋反激式PFC電路，分析了此新型PFC電路的工作原理以及實現軟開關的條件，并進行了仿真驗證。實驗數據表明：不對稱半橋反激式PFC可實現開關管的ZVS運行，該電路使開關損耗明顯降低，降低了EMI，提高了無線充電設備的功率因數，降低了對電網的諧波污染。

電動汽車；無線充電；磁耦合諧振；不對稱半橋；反激式PFC；ZVS

電動汽車是以電能作為能源，通過電動機將電能轉化為動能的裝置，并具有節能環保的優點，所以電動汽車可作為解決能源短缺，環境污染等問題的有效途徑，并且得到了快速發展。目前電動汽車電池常見的充電方法是有線充電，即通過導線與電網電源相連接來獲得電能。這種充電方式不夠靈活，極易受到場地、環境、距離以及安全性等因素的限制。無線充電是一類新型的充電技術，可以將傳輸線圈埋于地下，不用導線將汽車與電源系統相連接，這樣就能夠有效減少電接觸磨損、雨水等造成的傷害。因此，無線充電不會出現電火花與漏電的危險，無積塵和接觸耗損，維護簡單方便，受到越來越多專家學者的關注[1-2]。

隨著電力電子技術以及電源技術的發展，電網的諧波污染也更加的嚴重，是以功率因數矯正技術（PFC）成為了時下的一個熱門研究課題。功率因數校正技術主要有兩種：無源PFC和有源PFC。無源功率因數校正是由電容和電感構成的無源網絡來消除高次諧波以及無功補償，是一種被動的矯正方式。無源網絡雖然具有電路簡單，高效、可靠、價格低等優點，但功率因數確難以較大提高。有源PFC技術是一種主動矯正方式，從上個世紀80年代以后，有源PFC技術得到了快速發展，此技術對功率因數的提高，諧波的抑制有很大的作用[3]。

傳統的反激變換器不但結構簡單而且成本低廉。在電源設計中被多次使用，然則反激變換器的開關器件并非工作在軟開關狀態，開關損耗大，電磁干擾大，并不適合于大功率場合。不對稱半橋變換器是一種新的變換器，它具有的優點是：效率高、EMI干擾小，但結構非常復雜，而且變壓器會因出現偏磁而導致損壞。不對稱半橋反激變換器把反激變換器和不對稱半橋變換器的優點利用起來，利用隔直電容和變壓器漏感的諧振，使開關管運行在ZVS，整流二極管工作在ZCS，降低了開關損耗和EMI，并且變壓器工作在反激狀態，不對稱半橋變換器克服了偏磁的缺點，所以不對稱半橋反激變換器受到了學者的廣泛研究。因此，把不對稱反激PFC應用于電動汽車無線充電系統，將有利于提高充電設備的功率因數以及充電效率，還可以降低充電系統對電網的諧波污染[4-5]。

1 電動汽車無線充電系統結構分析

而今常用的無線充電方式主要有電磁感應式、磁耦合諧振式、無線電波式[10]。目前最常用的是磁耦合諧振式無線能量傳輸，磁耦合諧振式無線能量傳輸方法的傳輸功率比電磁感應方式小，但它的傳輸距離比電磁感應式遠很多，而且效率更高，在安放位置上不需初級發射線圈和次級接收線圈完全一致；與電波式能量傳輸方式相對比，其傳輸功率等級和傳輸效率更高，但傳輸距離短。考慮到電動汽車無線充電的特點，車底盤距地面的距離一般在數十厘米上下，功率級別一般在千瓦級別，通過幾種方案的對比，磁耦合共振式無線能量傳輸方案十分符合設計的要求，因此采取磁耦合諧振式無線能量傳輸方案。磁場耦合諧振式無線能量傳輸方法對于開發新的充電方法有很大的幫助，采用這個方法，可以將傳輸線圈安裝在公路路面以下或者停車場地面下，為行駛中的電動汽車不停地補充電能，電動車停在停車場內進行電能補充。圖1為磁耦合共振式無線充電結構框圖。它的工作原理是，交流電經過電源管理系統整流為直流電，然后通過功率因數矯正環節，最后通過高頻逆變電路和功放電路產生高頻電磁場由發射線圈發出，接收線圈通過與發射線圈的耦合諧振獲得電能，再通過AC-DC整流降壓環節，再通過電池管理系統對動力電池進行充電。

圖1 磁耦合共振式無線充電結構框圖

2 無線充電系統不對稱半橋反激PFC電路設計分析

不對稱半橋反激PFC同時具有反激變換器和不對稱半橋變換器的優點，利用電感Lm和電容Cr諧振，使原邊功率管工作在ZVS狀態，整流二極管工作于ZCS，極大地降低了開關損耗及電磁干擾，得到普遍應用。圖2為無線充電系統不對稱半橋反激PFC 電路結構圖[6-7，12]。

圖2 不對稱半橋反激式PFC電路結構圖

由圖知，S1和S2為主功率開關管，變壓器一、二側匝數比為n，n1和n2。為了簡化分析，特作了以下的假定：1）所有器件均是理想器件，工作在電流連續模式。2）變壓器勵磁電感要遠大于變壓器漏感，即Lm＞＞Lr。3）開關管的寄生電容不隨兩頭電壓變化而發生變化，可以認定是恒定的。4）占空比 0＜D＜0.5。5）電容Cr，Co足夠大，兩端電壓認為是恒定不變的。6）下面的分析對任意匝比都適用，所有分析對半波、全波整流（n1=n2）均適用。

2.1 工作過程分析

圖3給出了主要工作波形，下面主要分6個時間段進行簡要分析[5-8，13]。

1）t0-t1段：S1在t0時導通。在這個時間段，二極管D1、D2、D3和S2均沒有導通，而D4導通。電壓Vm也逐漸下降但仍保持為正，所以電流Im是以較低的斜率逐漸增加的。在t1時，電壓Vp減小到0，電流Im上升到最大值，此時D3才開始導通。

圖3 不對稱半橋反激式PFC電路工作波形

2） t1-t2段： 在此階段中 D3、D4 導通，S1、S2 和Dl、D2關斷。S2寄生電容C2和電感Lr發生諧振，C2上的電壓開始以諧振方式連續減小。由于D3、D4導通，變壓器的副邊出現短路，電壓Vm和Vf為零，電流Im保持恒定不變。二極管D3電流不斷增加，D4電流不斷減小。因此折射到原邊的電流逐漸下降，在t2時下降為0。

3） t2-t3段： 在 t2時 D3、D4 繼續導通，S1、S2 和D1、D2仍然截止。在這期間電壓Vm和Vf保持為零，電容C2和Lr繼續保持諧振。在t3時刻D4的電流全部轉移到D3，下降為零時自然關斷，實現了ZCS，極大的減小了二極管的關斷損耗。

4）t3-t4段：在 t3時 S1、S2、D1、D2 和 D4 截止，D3開通。此時電壓Vm為負，Im逐漸下降，電容C2連續線性放電。只要在開關管S2導通前C2電壓下降為零，D2就會導通，把開關管S2上的電壓保持在0 V，那么S2就能實現ZVS。

5）t4-t5段：當 t=t4時，S2 關斷，為了防止 S1，S2同時導通短路，變壓器一次側電流ir給C1放電，此時寄生電容C2電壓增加，變壓器初級側電流ir開始正向增加，在t5時，C1放電結束，Vs1下降到零。

6）t5-t6段：在t5時，寄生電容C1電壓減小到零，變壓器一次側電流開始通過二極管D1，同時一次側電流ir線性增加，在t6時，S1柵極加上驅動脈沖，S1導通，此時S1為ZVS導通。當t6時，勵磁電感電流與漏感電流大小相等，二極管D3電流減小為零時關斷，顯然工作于ZCS狀態。

2.2 開關管ZVS實現條件分析

由階段5和階段6的分析可知，要使S1實現ZVS，變壓器漏感Lr必須足夠大，才會有足夠的能量，使寄生電容C1電壓從Vin減小到零，同時S2的寄生電容C2兩端電壓被充電到Vin，因此有：

即S1實現ZVS的條件是：

而由工作波形可以看出，當t=t4時，得到：

從前面分析可知，整流二極管D3、D4都是在電流為零時自然關斷的，因此它們都能實現ZCS[8-9]。

3 仿真分析

為了驗證設計的可行性，特利用MATLABSimulink搭建了仿真電路，并進行了仿真分析[14-15]，部分參數如下：輸入電壓Vac=390 V，輸出電壓Vo=24 V，開關頻率為30 kHz，Lr=22 μH，Cr=40 μF，輸出濾波電容Co=2 000 μF，電阻性負載。圖4為功率開關管驅動波形以及DS兩端電壓波形，由圖可看出開關管S1，S2交替導通，為了防止兩管同時導通造成短路，中間留有相應的死區時間，兩開關管均可實現ZVS。圖5為輸出電壓波形，從圖中可以看出，輸出電壓經過一段時間的震蕩后保持恒定不變，系統功率因數大大提高。

圖4 開關管驅動波形及DS電壓波形

圖5 輸出電壓波形

4 結束語

文中首先對無線充電系統的結構以及電動汽車無線充電優點進行了分析闡述，結合反激變換器和不對稱半橋變換器各自的優點，設計了無線充電系統不對稱半橋反激式PFC電路，并利用MATLAB進行了仿真分析。通過對電路工作原理及波形的分析得知，該電路在提高功率因數矯正的同時，減小了開關管的電壓應力、實現了軟開關、降低了開關損耗、減小了EMI以及無線充電系統對電網的諧波污染。

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Research of wireless charging system asymmetrical half bridge flyback circuit on PFC

SHAO Ming-feng
（School of Internet of Things Engineering ，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

In order to reduce harmonic pollution to electric network in the process of wireless charging，this paper combines the flyback converter and the advantages of asymmetrical half bridge，designed an asymmetric half-bridge flyback type PFC circuit of the wireless charging system.working principle of PFC circuit and soft switching conditions are analyzed and simulation and experiment was built for verification.The experimental data shows that the asymmetrical half-bridge flyback type PFC can realize ZVS operation ，and this circuit made significantly lower switching loss，the EMI and the harmonic pollution to power network are reduced,the power factor of the wireless charging equipment are improved.

electric vehicles； wireless charging； magnetic coupling resonance；asymmetrical half bridge；flyback PFC;ZVS

TM461

A

1674－6236（2017）16-0158-04

2016-08-25稿件編號：201608196

邵明鋒（1989—），男，河南商丘人，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動。