無線電能傳輸系統(tǒng)單相高頻逆變器設(shè)計(jì)

王 路，熊 勝，徐建超，宋忻怡

無線電能傳輸系統(tǒng)單相高頻逆變器設(shè)計(jì)

王 路1，熊 勝2，徐建超2，宋忻怡2

（1.海軍研究院，北京 100080；2.海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

無線電能傳輸成為電氣自動(dòng)化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。其中高頻逆變器是無線供電系統(tǒng)的核心，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。本文對(duì)無線電能傳輸單相高頻逆變器的軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，搭建了一臺(tái)8 kW高頻全橋逆變器，給出了主電路和控制電路的具體參數(shù)計(jì)算。最后給出了工程樣機(jī)的仿真波形和實(shí)驗(yàn)波形，驗(yàn)證了理論分析與工程設(shè)計(jì)的正確性。

無線電能傳輸 高頻逆變器 單相

0 引言

近年來，隨著科技的發(fā)展，各種形形色色的家用電器使用量與日俱增，這些用電設(shè)備在給人們帶來極大便利和享受的同時(shí)，也帶來了許多安全隱患，錯(cuò)綜復(fù)雜的線路結(jié)構(gòu)限制了移動(dòng)設(shè)備的靈活性，同時(shí)也影響環(huán)境的美觀。無線電能傳輸技術(shù)的出現(xiàn)，為上述存在的問題找到了有效的解決方案，因此，越來越多的研究者投入到該領(lǐng)域的研究中。

無線電能傳輸技術(shù)是電能輸送領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)課題[2-7]，它打破了傳統(tǒng)有線電能傳輸?shù)墓逃懈窬郑瑪[脫了冗雜電線的束縛，使得供電電源和充電設(shè)備完全隔離，供電電路和充電電路實(shí)現(xiàn)獨(dú)立封裝，較好地解決了有線電能傳輸存在的電線裸露、易產(chǎn)生接觸火花、可移動(dòng)性差等問題，在某些極端環(huán)境和特殊條件下具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在電動(dòng)汽車、工業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)療、航空航天、海洋、高山海島等多個(gè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 無線供電系統(tǒng)單相逆變器工作原理

1.1 單相逆變器的主電路拓?fù)?/h3>

為了減小直流側(cè)的濾波電容體積，一些專家做了很多研究，但其開關(guān)器件多。綜合考慮對(duì)比過后選用圖1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 單相逆變電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)采用三相380 V/50 Hz交流電作為輸入，PWM單相正弦逆變電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 單相逆變器的工作過程

為便于分析，單相逆變電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只畫出逆變部分如圖2。

圖2 單相逆變電源簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)

在全橋輸出方式下，在同一時(shí)刻，只有2個(gè)開關(guān)能夠?qū)ā？刂破溟_通關(guān)斷頻率達(dá)85 kHz，50％占空比。

2 無線電能傳輸單相高頻逆變器的硬件設(shè)計(jì)

2.1 整流電路的設(shè)計(jì)

在某些設(shè)備（例如電鍍、蓄電池充電等設(shè)備）中，這種電壓的脈動(dòng)是允許的。但是在大多數(shù)電子設(shè)備中，整流電路中都要加接隔離濾波器，以改善輸出電壓的脈動(dòng)程度。電容濾波電路簡(jiǎn)單，輸出電壓較高，脈動(dòng)也較小。因?yàn)楸∧る娙轃o極性，絕緣阻抗很高，頻率特性優(yōu)異（頻率響應(yīng)寬廣），而且介質(zhì)損失很小，故本設(shè)計(jì)支撐電容類型選用薄膜電容設(shè)計(jì)電路如圖3。

圖3 整流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本課題設(shè)計(jì)目標(biāo)為8 kW，由于：

根據(jù)公式（1）計(jì)算得出=12.15 A，且需留出兩倍以上的余量故選用MDS60A-16型二極管。

將數(shù)據(jù)帶入公式（2）得：

需要留出一定的余量因此支撐電容容值定為2000 μF。

2.2 逆變電路的設(shè)計(jì)

由于已簡(jiǎn)述逆變電路的工作原理，逆變電源主電路結(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)選用盡可能少的開關(guān)元件，還需盡量減少逆變系統(tǒng)中電容值、電感值，并減少它們的數(shù)量，這樣能縮減整個(gè)設(shè)備體積，提高可靠性，降低成本。電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)有利于逆變電源最終輸出電壓頻率調(diào)節(jié)和諧波的消除。故采用圖2的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為所選用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

整流過后的母線電壓=1.35*380 V=514 V。將數(shù)據(jù)代入公式=，得=15.6 A需要保留兩倍以上的余量，故選用耐壓1200 V，72 A的SiC MOSFET，型號(hào)為SCT3030KL。

2.3 控制器設(shè)計(jì)

通常在電源設(shè)計(jì)過程中，控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制器設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理電路的主要作用是將傳感器采樣信號(hào)經(jīng)過調(diào)理后獲取理想信號(hào)并且能滿足后續(xù)電路要求。本設(shè)計(jì)經(jīng)AD調(diào)理后獲得電壓為+10 V~-10 V。

驅(qū)動(dòng)電路主要是控制電路與逆變主電路之間的中間電路，控制電路產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，使得驅(qū)動(dòng)信號(hào)在電壓或電流能夠符合功率管開、關(guān)的要求，保證功率開關(guān)管能夠充分穩(wěn)定的導(dǎo)通和關(guān)斷。驅(qū)動(dòng)電路還可以對(duì)控制電路和逆變主電路實(shí)現(xiàn)電氣隔離，起到很好強(qiáng)電與弱電的隔離，保證系統(tǒng)能安全可靠運(yùn)行。

3 仿真分析

根據(jù)3.1節(jié)所設(shè)計(jì)的參數(shù)及選用的器件型號(hào)，并且輸出50％占空比的方波。

通過查詢相關(guān)文獻(xiàn)最終確定選取=100 μH，由于：

將數(shù)據(jù)代入公式（4）最終計(jì)算得RLC的選擇參數(shù)數(shù)值。

運(yùn)行后發(fā)射端的電壓電流波形如圖5所示。

圖5 RLC支路電壓電流波形

電阻中電流與兩端電壓波形如圖6所示。

圖6 電阻中電流與兩端電壓波形

電感中電流與兩端電壓波形如圖7所示。

圖7 電感中電流與兩端電壓波形

電容中電流與兩端電壓波形如圖8所示。

圖8 電容中電流與兩端電壓波形

從仿真中可以看出電阻兩端峰值電壓為267 V，電容峰值電壓為4805 V，電感處的峰值電壓為4807 V。通過公式（5）計(jì)算可得電阻和電容兩端電壓為4806 V，與仿真結(jié)果相吻合。可以得出結(jié)論，仿真結(jié)果正確。

4 總結(jié)

本文對(duì)無線電能傳輸單相高頻逆變器硬件方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體體現(xiàn)在整流電路、逆變電路和控制器的設(shè)計(jì)上，對(duì)設(shè)計(jì)出的三大部分的器件進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在市場(chǎng)上對(duì)器件進(jìn)行選型。最后對(duì)無線電能傳輸單相高頻逆變器進(jìn)行仿真，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。

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Design of Single-phase High-frequency Inverter for Wireless Power Transmission System

Wang Lu1, Xiong Sheng2, Xu Jianchao2, Song Xinyi2

(1.Naval Academy, Beijing 100080, China; 2. Electronic Engineering College, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM72

A

1003-4862（2019）02-010-04

2018-12-28

湖北省自然科學(xué)基金群體項(xiàng)目（2018CFA008）

王路（1983-），男，工程師。研究方向：艦船電氣技術(shù)。E-mail: 2433657578@qq.com

熊勝（1992-），男，碩士研究生。研究方向：無線電能傳輸技術(shù)。E-mail: 631372278@qq.com