基于開關可控電容和半控整流橋的功率源型感應式耦合電能傳輸系統

黃智聰 鄒博維 黃振威

基于開關可控電容和半控整流橋的功率源型感應式耦合電能傳輸系統

黃智聰 鄒博維 黃振威

（華南理工大學吳賢銘智能工程學院 廣州 511442）

該文提出一種單級功率源型感應式耦合電能傳輸（ICPT）系統，該系統的輸出功率在負載發生變化時可以保持恒定。相較于傳統電流源型或電壓源型ICPT系統，該ICPT系統具有可編程配置的功率源輸出能力，實現更寬的輸出范圍，可以兼容適配不同規格電池模組或超級電容充電。該功率源型ICPT系統在一次側采用LCC補償結構，二次側包括串聯一個開關可控電容（SCC）以及一個半控整流橋（SAR）。該文還提出一種協同控制SCC和SAR的方法，實現ICPT系統二次側工作在諧振的狀態，以及可以通過配置二次側等效負載阻抗實現可調輸出功率。由于控制方案是基于固定工作頻率和二次側實時調節，所以無需一次、二次側無線反饋通信。此外，該單變換器級ICPT系統的開關器件始終工作在軟開關模式，減少了開關損耗。最后，通過對ICPT系統進行仿真分析和實驗驗證，證明了ICPT系統及其控制方法的可行性。

感應式耦合電能傳輸 恒功率 開關可控電容 半控整流橋 寬輸出范圍

0 引言

感應式耦合電能傳輸（Inductive Coupled Power Transfer, ICPT）是一種新興技術，無需任何物理接觸，即可無線傳輸電能。該技術通過一個松散耦合的磁感應鏈接將電能從系統一側傳輸到另一側。由于負載端和供電端不存在直接的電氣接觸，無裸露的金屬接插件，消除了火花和電擊風險[1-2]，不受惡劣天氣的影響，更加安全可靠。因此，ICPT技術潛在應用領域眾多，包括消費電子、醫療電子、水下充電和電動汽車等[3-8]。

針對ICPT變換器輸出特性的研究，國內外眾多學者從補償電路設計出發，以恒定或近似恒定的電壓增益、跨導、跨阻或電流增益為目標[9-12]，使得ICPT變換器具有電流源或電壓源輸出特性，不受負載變化的影響。相比于傳統的SS（一次側串聯- 二次側串聯）型、SP（一次側串聯-二次側并聯）型、PS（一次側并聯-二次側串聯）型、PP（一次側并聯-二次側并聯）型補償拓撲，LCC-S型補償網絡具有如下優點：①一次側采用LCC拓撲結構，形成一個導抗網絡[13-14]，一次線圈獲得恒流激勵，因此二次側感應電壓與耦合系數呈線性單調遞增關系，便于二次側的設計和控制[15]。②二次側采用S型拓撲結構，一方面減少二次側元器件數量、降低負載端設備質量；另一方面獲得電壓源型輸出。基于上述優點，LCC-S型ICPT變換器被廣泛研究和應用。

一般而言，利用補償結構的固有輸出特性，ICPT變換器可以作為電流源和電壓源工作，通過增加多級變換器以實現對電池的先恒流后恒壓充電策略。文獻[16]在諧振變換電路的前級和后級分別加入了一個DC-DC變換器，通過調節逆變器前和整流橋后的直流母線電壓1,dc和2,dc來進行系統增益控制。這種采用兩個DC-DC變換器的方法將控制復雜度進一步降低，諧振變換電路在輕載或大偏移范圍下的傳輸效率得到提升。文獻[17]采用改變諧振變換電路的輸入電壓in和逆變器的工作頻率來實現恒流-恒壓的輸出控制。文獻[18]在諧振變換電路一級的后端級聯了兩路交錯并聯的Boost型變換器來降低輸出電流紋波。但是增加額外的變換器會使得系統傳輸效率低，且體積增大。為此，越來越多的學者開始研究單級ICPT變換器。單級ICPT變換器可以通過跳變工作頻率點[19-20]，或通過切換補償電路[21-24]，實現從電流源到電壓源輸出的切換，兩種控制設計都較為簡單。文獻[25]進一步提出采用高階補償電路，通過補償參數優化設計，擺脫松耦合變壓器參數對輸出特性的束縛，可以自由設計電流源和電壓源的輸出幅值。而為了抑制松耦合變壓器發生位置偏移的影響，文獻[26]則提出復合補償電路，在發生位置偏移的情況下，ICPT變換器依然能夠取得近似于電流源或電壓源輸出特性。

然而，一旦松耦合變壓器和補償電路的參數固定以后，ICPT變換器固有的電流源和電壓源輸出特性不可調，因而輸出電壓電流范圍受限，在實際應用中仍有很大局限性。ICPT變換器的輸出特性曲線示意圖如圖1所示。ICPT變換器的最大傳輸容量取決于松耦合變壓器[27]，理想情況下不考慮無功影響，存在一個額定的最大輸出有功功率，如圖1虛線所示。利用ICPT變換器固有的電流源或電壓源輸出特性，允許的最大輸出電壓電流范圍受限于額定功率，分別如圖1a的陰影區域和圖1b的陰影區域所示?？紤]到負載變化，這就需要額外的前端變換器或后端變換器來調節輸出功率。文獻[28-29]提出級聯DC-DC變換器，通過占空比控制調節改變電壓源或電流源的輸出幅值，但是增加額外變換器會導致損耗、體積和成本的增加。而文獻[30]提出使用有源整流電路代替級聯DC-DC變換器，雖然可以減少一級變換器，但是硬開關的調制方式造成效率不高的問題不可忽視。同時，通過圖1的對比可知，當ICPT變換器工作在電流源或電壓源模式并應用于電池充電，僅額定工作點達到最大功率。而如果把ICPT變換器設計成功率源型系統并采用恒功率充電，可以一直維持最大功率充電。因此，單變換器級功率源型ICPT系統具有研究意義。

圖1 ICPT變換器的V-I輸出特性曲線

為了使ICPT系統在負載發生變化時可以保持恒定的輸出功率，本文提出并探討了一種單變換器功率源型ICPT系統的構造和控制方法。可編程恒功率無線傳能系統的原理如圖2所示，該ICPT系統的一次側采用LCC補償，在二次側串聯一個開關可控電容（Switched-Controlled Capacitor, SCC）和一個半控整流橋（Semi-Active Rectifier, SAR）。本文還提出了一種二次側協同控制的操作方法，通過控制開關可控電容的控制角和半控整流橋的導通角，具有與負載傳輸特性無關和系統零相角（Zero Phase Angle, ZPA）特性工作的優點，配置二次側等效負載阻抗實現可編程恒功率輸出，可以兼容適配不同規格電池模組或超級電容充電等工況。該控制方案基于固定工作頻率和二次側實時調節，無需無線反饋通信。此外，該單變換器級ICPT系統的開關器件始終工作在軟開關模式，減少了開關損耗。最后，本文對所提單變換器級功率源型ICPT系統進行了仿真分析和實驗驗證，證明其可行性。

圖2 可編程恒功率無線傳能系統的原理

1 系統模型

1.1 系統結構

1.2 半控整流橋建模

式中，等效電阻和相應的電抗分別為

圖3 半控整流橋的開關序列和工作波形

式中，L為電池或超級電容的等效負載。

除非另有標注，否則在本文的其余部分中，表示由其下標部件的相應電抗。

1.3 開關可控電容

圖4 開關可控電容的開關序列和工作波形

據研究，SCC可以通過考慮S和SCC的基波分量來計算[35-36]。SCC的等效容抗計算得

圖5 SCC的等效電抗與控制角

1.4 等效電路模型

圖6中，SCC和eq在二次側中提供容性電抗，它們可以由二次側等效補償電容S,eq表示，其電抗滿足

圖6 系統的交流等效電路模型

因此，由圖6電路可得

系統諧振頻率等于逆變器工作頻率，二次側通過控制開關可控電容的等效容值可以使得二次線圈電感S與半控整流橋產生的電抗穩定在串聯諧振狀態，二次側等效阻抗為純電阻，控制方法將在第2.2節中詳細介紹，因此各電路補償參數通常滿足

2 輸出特性及控制

2.1 可編程式恒功率輸出

進一步地，可以得到所提系統的輸出功率O為

式中，下標RMS表示該相量的有效值。

將式（14）代入式（15）中，可得

當負載電阻L大范圍變化時，即L∈[L,min,L,max]，為了保持系統輸出功率O,ref恒定，通過調節半控整流橋等效為匹配的參考負載eq,ref，即滿足

圖7 不同負載下可編程恒功率輸出與導通角的關系

圖8 與負載無關輸出特性和ZPA特性的可編程恒功率輸出的控制方法

2.2 開關可控電容與半控整流橋協同控制

表1 ICPT系統的基本參數

Tab.1 Basic system parameters

圖9 開關可控電容與半控整流橋協同控制的仿真結果

圖10 不同負載電阻值下的輸出功率PO和對應導通角的關系

2.3 控制框圖及協同控制的實現

圖11 可編程恒功率無線傳能系統的二次側控制

3 實驗驗證

圖12 無線傳能系統實驗平臺

3.1 穩態模型驗證

圖13 交流輸入以及直流輸出實驗結果

圖15 穩態下系統的效率實驗結果

進一步測量系統在變負載過程中的效率變化情況，繪制系統效率的曲線，如圖16所示。

圖16 變負載過程中系統效率實驗結果

3.2 負載變化時的瞬態響應

在第2.3節中介紹的閉環二次阻抗協同控制方案在DSP中實現，用于恒功率充電和保證整個充電過程中的ZPA特性。設置恒功率輸出O,ref=50W，圖17中顯示了當負載突變時的瞬態波形。系統輸出功率O由O和O相乘來計算。從圖中可以看出，由于O受到所提控制策略的調制，在負載發生突變的時刻，O未見明顯漂移，系統響應時間較快，穩定性強。

圖17 負載階躍變化時的實驗結果

3.3 可編程式恒功率輸出驗證

如圖18a所示，設置的參考輸出功率O,ref=40W。而考慮到實際器件的損耗等因素，在實驗中相應的輸出功率在38.6W時近似恒定，完全在可以接受的范圍內。對比圖18a～圖18c可知，在同樣負載L變化的范圍內，輸出功率可以實現不同等級的恒功率輸出，并且系統響應快、穩定性高。實驗結果驗證了所提系統的可編程式功率源輸出特性。

4 結論

本文提出了一種單級功率源型ICPT系統，在整個傳能過程實現可編程式的恒功率輸出。提出了一種新的調制方法：通過控制SCC的控制角和SAR的導通角，結合了與負載無關的傳輸特性和系統ZPA特性的優點，是實現可編程配置恒功率輸出的簡單解決方案。所提系統能最大限度地拓寬單級ICPT變換器的輸出電壓電流范圍，兼容適配不同電池模組或超級電容的充電要求。所提ICPT變換器的工作頻率是固定的，只在二次側采用簡單的PI控制來實現可編程式恒功率輸出，控制無需無線反饋通信。同時所有開關器件都實現了ZVS，減少系統開關損耗，優化了系統效率。

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Programmable Constant-Power Inductive Coupled Power Transfer System Based on Switch-Controlled Capacitor and Semi-Active Rectifier

（SHIEN-MING WU School of Intelligent Engineering South China University of Technology Guangzhou 511442 China）

This paper proposed a single-stage inductive coupled power transfer (ICPT) system with constant power (CP) outputs against load variation. Compared with conventional ICPT systems with constant current or constant voltage output characteristics, CP output characteristics can maximize the output power capability of the ICPT system, which is suitable for battery or supercapacitor charging applications. The proposed ICPT system uses an LCC compensation structure on the primary side and a switched-controlled capacitor (SCC) in series with a semi-active rectifier (SAR) on the secondary side. This paper also proposed a coordinative control method for the SCC and SAR to achieve a resonant secondary side of the ICPT system and adjustable output power by configuring the equivalent load impedance of the secondary side. Since the control scheme is based on a fixed operating frequency and real-time regulation on the secondary side, no wireless feedback communication is required. Moreover, all power switches realize soft-switching to reduce switching losses. Finally, simulation and experiment verify the correctness and feasibility of the proposed model and method.

Inductive coupled power transfer, constant power, switch-controlled capacitor, semi- active rectifier, wide output range

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.220915

TM724

國家自然科學基金（52007067）、廣東省自然科學基金（2022A1515011581）和廣州市基礎研究計劃（202102020381）資助項目。

2022-05-26

2022-08-038

黃智聰 男，1987年生，博士，副教授，研究方向為無線電能傳輸機理及應用。E-mail: zhiconghuang@scut.edu.cn（通信作者）

鄒博維 男，1996年生，博士研究生，研究方向為無線電能的傳輸技術。E-mail: wizoubowei@mail.scut.edu.cn

（編輯 陳 誠）