單管無線電能傳輸逆變系統紋波抑制研究

楊奕， 張學健， 羅蕾， 謝詩云， 葉慶

1. 重慶理工大學 電氣與電子工程學院,重慶 400054； 2. 重慶市能源互聯網工程技術研究中心,重慶 400054

近年來,橋式和推挽式拓撲結構使電子產品變得過于龐大和昂貴,無法用于手機和智能可穿戴設備的電能傳輸,因此,小功率電器的充電器可以采用單管逆變拓撲電路[1-3].由于傳統單管無線電能傳輸逆變系統輸入電流會突變至零,嚴重影響直流電源使用時長和系統傳輸效率,因此提出了一種隔直型拓撲無線電能傳輸發射端電路,此電路能夠有效改善輸入電流波形,提高系統效率[4-8].系統高頻逆變單元采用單管功率放大,與全橋逆變電路相比,單開關管能夠提升更大的輸入電壓值,同時還能夠滿足零電壓開關,減小系統開關損耗,達到最佳瞬態響應狀態[9]．

1 系統結構及工作過程

如圖1所示,系統由驅動電路、逆變電路、整流電路、濾波電路和DC-DC變換器構成[10-11].通過單片機產生PWM波控制高頻開關管的通斷從而使發射端電感電容諧振消除無功功率,將能量盡可能地耦合到接收端,接收端電感電容諧振消除無功損耗,使電路效率達到最高再提供給負載使用[12-14]．

隔直型發射端并聯諧振原理圖如圖2所示,圖中C1為補償電容,L1為諧振電感,VT1為開關管.該發射端電路的工作模態圖如圖3所示.圖4為傳統發射端并聯諧振拓撲圖,圖中C2為補償電容,L2為諧振電感,VT2為開關管[15],該發射端電路的工作模態圖如圖5所示．

圖1 系統結構框圖

圖2 隔直型發射端并聯諧振原理圖

圖3 隔直型發射端工作模態圖

圖4 傳統發射端并聯諧振拓撲

圖5 傳統發射端工作模態圖

其中隔直型拓撲的模態分析如圖3[15-16]：

階段1：開關管導通,iL1線性增加； 階段2：開關管關閉,iL1減小,C1積累電荷； 階段3：開關管關閉,電容向電感充電； 階段4：開關管零電壓導通,電感電流通過續流二極管續流,降低至零,重復階段1．

2 隔直型拓撲電路模型分析

放大電路直流和交流總是相互存在,分為直流通路和交流通路,在直流路徑中,電容器斷開連接,電感器短路,而交流路徑中交流信號源短路,電容直流電源短路[17-19]．

圖6 原副邊等效電路圖

如圖6所示為等效電路模型[20-22],其中LP為等效電感,RP為等效電阻,UOC為副邊的開路電壓,IP為電感電流,LS為副邊電感,CS為副邊補償電容,R為等效負載,RL為圖1所示系統的真實負載．

副邊等效阻抗是：

可以得到副邊等效到原邊的反映阻抗為

(1)

其中ω為角頻率,M是原線圈和副線圈之間的互感.由式(1)可知LP=L1+XP/ω,其中L1是圖1系統中的真實電感值,由隔直型模態階段1可知,開關導通電容CP被短路,電感L1處于充電狀態且初始時刻電流為0,根據基爾霍夫電壓定律可知：

(2)

由式(2),[t0,t1]內流過電感的電流是：

(3)

其中電感L1的電流峰值為

(4)

其中D為開關管占空比,T為運行周期.當開關管關斷時,電感L1和電容C1就會發生諧振,由基爾霍夫電壓定律和電流定律可知：

(5)

令iP(t1)=IPmax,uCP(t1)=Ui,解得流過電感L1的電流及兩端電壓為

(6)

其中

由上式可知,流過電容CP的電流ICP為

(7)

如圖2所示,對于隔直型拓撲發射端并聯諧振電路而言,輸入電流IS1等于電感L1中流過的電流：

(8)

根據KCL,輸入的總電流IS2是電容上通過的電流與電感上流過的電流之和：

(9)

3 仿真分析3.1 關于輸入電流的仿真分析

為了驗證所提出的隔直型拓撲發射端電路的有效性和可行性,使用MATLAB對隔直型和傳統型兩種電路分別進行了仿真分析.根據PP型無線電能傳輸系統的工作原理,計算得出系統電路仿真主要參數如表1所示．

表1 仿真主要參數

模型主要分析發射端電路中各器件的波形變化.設置輸入電壓為12 V,傳統并聯諧振發射端電路中補償電容為0.094 μF,隔直型拓撲發射端電路中,濾波電容與補償電容均設置為0.047 μF．

從圖7中我們能夠發現is1n和is2n兩組仿真波形與理論模型推導得出的波形相同,諧振單元的輸入電流波形有些差異.由圖8可知,在初始時間段即電感L1處于充電狀態時兩種電路的輸入電路波形沒有太大差別,這是因為此時開關管導通電容被短路,所以電容電流為零.對于傳統并聯諧振電路而言,這個時間段內輸入電流is2n等于電感電流iL2,當電路進入諧振階段,開關管斷開,電容與電感之間能量交換產生諧振,輸入電流等于零.但是隔直型并聯諧振電路輸入電流is1n一直等于電感電流iL1,電流波形更平滑．

圖7 實際工程中靜態模式下兩種電路輸入電流波形

圖8 理想情況中靜態模式下兩種電路輸入電流波形圖

圖9是實際工程中在帶載條件下分別對兩種電路進行的仿真,圖10是理想情況中帶載條件下分別對兩種電路進行的仿真.從仿真波形可以看出,傳統的并聯諧振電路加入負載后,電源端輸入電流波形發生了突變,且由于電路中存在大量的電荷無法釋放導致了極大的電流沖擊.而隔直型拓撲電路的輸入電流波形與諧振電感波形相同,可見隔直型拓撲帶載能力比傳統型拓撲更強．

圖9 實際工程中帶載模式下兩種電路輸入電流波形

圖10 理想帶載模式下兩種電路輸入電流波形圖

圖11 輸入電流傅里葉分解波形

3.2 關于紋波抑制的仿真分析

為更好對輸入電流紋波抑制做出分析,將輸入電流進行傅里葉分解(圖11),圖12所示為三次諧波兩路180°移相后的波形合成,可見三次諧波在合成后的值幾乎為零．

單管逆變系統輸入電流的紋波無法消除,紋波對整個系統的穩定造成了嚴重的影響[16]．

關于無線電能傳輸紋波抑制相關文獻記載有限,在基爾霍夫電流定律的基礎上采用發射端并聯輸出端串聯拓撲.以3個發射端并聯移相為例(圖13),3個模塊參數相同,具體仿真參數見表1．

圖14(a)的三維散點圖顯示了相移角度、開關頻率和電流峰值之間的相關性.移相角度范圍為[10°,350°],開關頻率為[186 k,237 k],在移相角[110°,130°]內和切換頻率為[196 k,216 k]時電流峰值處

圖12 三相交錯并聯移相波形疊加圖

圖13 三路移相拓撲圖

于谷值狀態,電流峰值隨著相移角和頻率的增加而上升.為了進一步分析相關性并找到相移和頻率的最佳點,圖14(b)制作了一個三維散點圖,圖中移相角為[110°,130°],頻率為[196 k,216 k],可見移相120°角處,頻率為206 k,電流峰值最小．

圖14 電流幅值與移相角度和開關頻率之間的關系

圖15 傳統型拓撲靜態120°移相輸入電流波形圖

圖16 隔直型拓撲靜態120°移相輸入電流波形圖

圖17 傳統型拓撲帶載120°移相輸入電流波形圖

圖18 隔直型拓撲帶載120°移相輸入電流波形圖

圖19 硬件實物圖

4 實驗驗證

圖19為隔直型拓撲無線電能傳輸系統實物圖,輸入直流電壓由外部電源供電,電感值為7 μH,接收端補償電容為47 nF,在實驗測試中固定系統的工作頻率為206 kHz．

分別對搭建的傳統并聯諧振電路和隔直型拓撲無線電能傳輸電路進行實驗驗證.如圖20是開關管驅動波形圖,圖21、圖22為拓撲軟開關波形,兩種拓撲電路均實現了零電壓啟動,且隔直型拓撲電路驅動波形和開關管電壓應力波形更加平滑.圖23為在空載情況下測得兩種電路單路的靜態輸入電流波形is,圖24為三路移相空載情況下輸入電流波形,圖25是空載下電感電流波形,從圖中可以看出,傳統拓撲輸入電流波形畸變較為嚴重且移相后電流峰值沒有發生變化,其中隔直型拓撲單相輸入電流更加平滑,類似于正弦波且三路移相后有效減少了電流紋波．

圖26為兩種拓撲單相帶載輸入電流波形,圖27為傳統拓撲三路移相帶載輸入電流波形,圖28是隔直型拓撲三路帶載輸入電流波形.由圖26可知,隔直型拓撲帶載后波形沒有明顯失真,傳統拓撲帶載后輸入電流波形明顯失真,說明隔直型拓撲帶載能力更強.從圖24和圖28看出隔直型拓撲三路移相帶載后波形沒有失真依舊平滑,而圖24和圖27得到的傳統拓撲三路移相帶載后波形突變更嚴重.綜上所述,隔直型拓撲引入負載后波形依舊平滑沒有震蕩,但是傳統拓撲輸入電流波形震蕩明顯．

圖20 驅動波形圖

圖21 傳統型拓撲軟開關波形

圖22 隔直型拓撲軟開關波形

圖23 兩種拓撲靜態輸入電流波形

圖24 三路移相空載情況下輸入電流波形

圖25 空載下電感電流波形

圖26 兩種拓撲單相帶載輸入電流波形

圖27 傳統型拓撲三路移相帶載輸入電流波形

圖28 隔直型拓撲三路移相帶載條件下120°移相輸入電流波形

將實驗數據進行歸納整理得出兩種拓撲輸出功率對比圖(圖29，圖30).從圖可知,在輸入電壓為12 V、負載為10 Ω時,兩種拓撲的輸出功率范圍都在20～28 W.圖30為兩種拓撲在輸入電壓為12 V,負載為10 Ω條件下,不同輸出功率時傳輸效率對比圖,由圖可知,隔直型拓撲電路最大效率可達82%,傳統型拓撲電路最大效率為81%,隔直型拓撲電路整體傳輸效率均高于傳統型拓撲電路,從實驗的角度驗證了理論與仿真的正確性,提高了系統效率,保護了供電電源．

圖29 兩種拓撲輸出功率對比圖

圖30 兩種拓撲傳輸效率對比圖

5 結論

首先通過模態分析和數學建模得出了隔直型與傳統并聯兩種拓撲下的輸入電流模型、電感電流模型和電容的電壓電流模型.其次,搭建仿真得出了隔直型拓撲電路對系統輸入電流有顯著的改善,通過三路120°移相來抑制輸入電流紋波,發現隔直型拓撲的紋波抑制能力更強.最后搭建兩種拓撲無線電能傳輸系統平臺,在空載和帶載下得到兩種電路的諧振電感電流、開關管電壓和輸入電流的實驗波形,驗證了隔直型拓撲發射端電路能夠有效降低系統的靜耗,提高充電效率,抑制輸入電流紋波的結論．