無線電能傳輸系統全橋逆變器性能優化研究

摘 "要： 針對無線電能傳輸系統中全橋逆變器開關管的開通和關斷存在振鈴，能量傳輸波形紋波大，導致逆變器溫升大和工作不穩定的問題，進行了電路建模分析，開展了全橋逆變器性能優化研究。首先，對逆變器開關管驅動電路進行了簡化，建立了RLC串聯諧振電路模型，分析了驅動電路結構參數對逆變器性能的影響規律，得出了優化方法；其次，分析了逆變器紋波大的問題，給出了優化方法；最后，搭建了300 W無線電能傳輸系統并進行實驗。實驗結果驗證了優化方法的正確性和有效性，逆變器性能得到了改善，溫升得到了有效控制，系統傳輸效率提高了5.3%，整機效率達到了89.3%。

關鍵詞： 無線電能傳輸； 全橋逆變器； 紋波抑制； 串聯諧振電路； RLC電路； 開關管

中圖分類號： TN751.3?34； TM724 " " " " " " " " " 文獻標識碼： A " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）18?0089?06

Research on performance optimization of full?bridge inverter in WPT system

LIU Suqi， YAN Xueying， LIU Yuping

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China）

Abstract： In order to solve the problems of ringing in the turn?on and turn?off of switching tube of full?bridge inverter in wireless power transfer （WPT） system and large ripple in the energy transmission waveform， which lead to high temperature rise and unstable operation of the inverter， the circuit modeling analysis is carried out， and the performance optimization of full?bridge inverter is carried out. The driving circuit of the inverter switching tube is simplified， an RLC series resonant circuit model is established， and the influence of driving circuit structural parameters on inverter performance is analyzed， so that the optimization method is derived. The problem of large ripple in inverter is analyzed to provide the optimization method. In the end， A 300 W WPT system was built， and the correctness and effectiveness of the optimization method were verified by experiments. The inverter performance is improved， the temperature rise is controlled effectively， the system transfer efficiency is increased by 5.3%， and the overall efficiency can reach 89.3%.

Keywords： wireless power transfer; full?bridge inverter; ripple suppression; series resonant circuit; RLC circuit; switching tube

0 "引 "言

無線電能傳輸（Wireless Power Transfer， WPT）技術是用電設備以非接觸方式從電源獲取能量的一項技術，實現了電源和用電設備的完全電氣隔離，傳輸過程安全可靠、靈活度高，為人類擺脫電線束縛提供了可能[1?5]。2007年美國麻省理工學院科研團隊突破性地提出了磁耦合諧振式WPT技術[1]，開啟了磁耦合諧振式無線電能傳輸技術研究。國內外學者在理論建模[6?7]、性能優化[8?9]、傳輸特性[10?13]、多線圈振動機理[14?15]等多方面展開了研究，該技術經過十多年發展，在理論研究和技術應用上取得了長足發展。

在性能優化方面，文獻[16]針對串聯?串聯拓撲的無線電能傳輸系統隨著工作頻率的提高，開關器件會產生較大的硬開關損耗，導致該系統傳輸效率下降的問題，提出一種實現軟開關的全橋變換器，并分析諧振網絡中補償方式特性，計算開關器件的輸出電容，給出軟開關實現條件和死區時間設計，使得整機傳輸效率提升了4.9%。文獻[17]為了降低系統接收端的復雜度且控制輸出，并解決現有控制方法存在的非阻性阻抗下效率低、控制策略設計復雜等問題，提出了次級改進型有源整流控制策略，降低了開關管的導通損耗及開關損耗，實現了效率優化。文獻[8]針對多線圈的單管無線電能傳輸系統，提出一種P#型LCC?S補償網絡和輸入電流紋波抑制方法，以改善輸入電流波形，降低輸入電流THD及紋波，從而提高系統效率。文獻[18]針對目前無線電能傳輸系統存在的問題，提出了一種隔直型拓撲并聯無線電能傳輸發射端電路。該系統發射端采用隔直型拓撲結構抑制輸入端電流沖擊和突變，并且通過移相的方式改善輸入電流紋波，進而提高系統效率，減小系統靜耗和電流振蕩對電源側的損耗。

以上研究主要集中在理論分析方面，在改善傳輸特性、提高傳輸效率等方面做了較多工作，取得了較多成果。對于電能變換器，特別是高頻逆變器來說，減少損耗、改善傳輸性能是提高效率的主要途徑。為此，本文開展全橋逆變器性能優化研究，目的是揭示影響逆變器性能的關鍵參數并獲得優化方法，為設計無線電能傳輸系統提供理論和技術依據。

首先，對逆變器開關管驅動電路進行了簡化，建立了RLC串聯諧振電路模型，分析了電路結構參數對逆變器性能的影響規律；其次，分析了逆變器紋波大的問題，給出了優化方法；最后，搭建了300 W的無線電能傳輸系統，驗證了優化方法的正確性和有效性。

1 "全橋逆變器結構簡化及電路建模分析

1.1 "全橋逆變器結構簡化

本文以一個全橋逆變串聯諧振電路構成的WPT系統為對象進行分析，諧振回路采用串聯補償結構，如圖1所示。圖中，Vdc為直流電壓源；Q1、Q2、Q3和Q4為全橋逆變器開關管；D1、D2、D3和D4為體二極管；i1、i2分別為初級、次級線圈回路高頻電流；L1、L2分別為初級、次級線圈電感；C1、C2分別為初級、次級線圈等效電容；R1為初級線圈的損耗電阻和輻射電阻之和；R2為次級線圈的損耗電阻和輻射電阻之和；RL為負載電阻；UL為負載電壓；M1為初級、次級線圈間互感。

全橋逆變器中的開關管一般采用開關管驅動IC進行驅動。開關管驅動IC需通過導線連接到開關管的柵極，但由于布線的原因，導線存在分布電阻、寄生電感以及開關管的寄生電容，其簡化后的開關管驅動電路如圖2所示。其中，R為驅動電阻和PCB線路分布電阻之和；L為PCB線路寄生電感；C為開關管寄生電容；Qn為全橋逆變開關管的任意一支；Dn為體二極管。

這些參數的存在，導致開關管驅動IC輸出的PWM驅動信號到達開關管的柵極，不是純正的PWM信號；其次，開關管的開通和關斷可能出現振鈴和過沖現象，致使開關管的開通和關斷時功耗增大。

對圖2作進一步等效，可等效為如圖3所示的等效電路，其中，ui（t）為等效電路的輸入信號，即開關管驅動IC輸出的PWM驅動信號，是一階躍信號；uo（t）為等效電路的輸出信號，即開關管柵極控制信號；i（t）為等效電路回路電流。

1.2 "電路建模分析

如圖3所示，根據基爾霍夫電壓定律（KVL），可建立如下公式：

[ui（t）=i（t）R+Ldi（t）dt+1Ci（t）dtuo（t）=1Ci（t）dt] （1）

對式（1）進行拉普拉斯變換，可得：

[ui（s）=RI（s）+LsI（s）+1CsI（s）uo（s）=1CsI（s）] （2）

消去[I（s）]，可得[ui（s）=（LCs2+RCs+1）uo（s）]，則傳遞函數為：

[G（s）=uo（s）ui（s）=1LCs2+RCs+1 " " " " "=ω2ns2+2ζωns+ω2n] （3）

該式為一典型二階系統。其中： ωn為系統固有頻率，[ωn=1LC]；ζ為阻尼系數，[ζ=12RCL]。

開關管驅動IC輸出的驅動信號為一非單位階躍信號，為了便于分析，使用單位階躍信號進行分析，同理，可分析出非單位階躍信號響應結果。下面根據阻尼系數ζ進行分類，開展建模特性分析。

1） 欠阻尼

當0lt;ζlt;1時，為欠阻尼。此時二階系統的極點為一對共軛復根，若為單位階躍輸入信號xi（t）=1（t），則時域響應方程為：

[uo（t）=1-e-ζωnt1-ζ2sinωdt+arctan1-ζ2ζ·1（t）] （4）

式中[ωd=ωn1-ζ2]。欠阻尼系統的單位階躍響應曲線如圖4所示。

由圖4可知，隨著ζ的減小，系統振蕩幅度加大，即驅動電阻R和寄生電容減小、PCB線路寄生電感增大，則振蕩幅度加大。總之，欠阻尼情況下，電路一定會發生振蕩。

2） 零阻尼

當ζ=0時，為零阻尼。此時二階系統的極點為一對共軛虛根，若為單位階躍輸入信號xi（t）=1（t），則時域響應方程為：

[uo（t）=（1-cosωnt）·1（t）] （5）

零阻尼系統的單位階躍響應曲線如圖5所示。由圖可知，系統為無阻尼等幅振蕩。

3） 臨界阻尼

當ζ=1時，為臨界阻尼。此時二階系統的極點為二重實根，若為單位階躍輸入信號xi（t）=1（t），則時域響應方程為：

[uo（t）=（1-ωnte-ωnt-e-ωnt）·1（t）] （6）

臨界阻尼系統的單位階躍響應曲線如圖6所示，由圖可知，系統沒有超調。

4） 過阻尼

當ζgt;1時，為過阻尼。此時二階系統的極點為2個負實根，若為單位階躍輸入信號xi（t）=1（t），則時域響應方程為：

[uo（t）=1-12（-ζ2+ζζ2-1+1）e-（ζ-ζ2-1）ωnt- " "12（-ζ2-ζζ2-1+1）e-（ζ+ζ2-1）ωnt·1（t）] "（7）

過阻尼系統的單位階躍響應曲線如圖7所示。由圖可知，系統沒有超調，不會發生振蕩，但過渡時間較長。

綜上所述，根據阻尼系數[ζ=RCL2]不同取值下的分析結果，可得出以下結論。

1） 對于一個確定的電路，分布電阻、寄生電感和寄生電容是一定的，當系統出現振蕩時，由阻尼系數ζ的定義可知，增大驅動電阻可減少甚至消除振蕩，一般選擇一個接近臨界阻尼的阻值來解決。

2） PCB設計時，減小PCB走線寄生電感，即增加阻尼系數值，使其值接近于臨界阻尼值。

3） 在開關管的G、S極間并聯一個匹配電容，即增加阻尼系數值，使其值接近于臨界阻尼值。

總之，阻尼系數過小，易于在開關管的柵極端出現振鈴現象；其次，阻尼系數過大，階躍信號的上升沿過渡時間長，上升緩慢。因此，需要調節電路參數，得到一個合適的阻尼系數。

2 "逆變器紋波分析及性能優化

直流電源經普通電解電容濾波后加載到逆變器，逆變器工作時方波紋波增大，變成尖峰，實驗測得的波形如圖8、圖9所示。隨著收、發線圈間的耦合距離增加，尖峰幅值增大；其次，隨著工作時間增加，普通電解電容發熱嚴重，給逆變器正常運行帶來了安全隱患。

本文對逆變器紋波進行分析，建立了普通電解電容等效電路圖，如圖10所示。因普通電解電容容易發生漏電，電容內阻大，致使普通電解電容發熱嚴重；其次，普通濾波電容不適合高頻濾波，濾波效果差；再次，全橋逆變器是將直流逆變成高頻交流，隨著耦合距離的增加，尖峰越大，普通電容無法完成高頻濾波。圖中：Rc是漏電阻；Ln是寄生電感；Rn是其他原因引起的損耗電阻；C為電容。

綜上所述，逆變器存在紋波較大的問題，有以下優化方法。

1） 選用高頻通信領域使用的大容量、高頻、低阻、長壽命和耐高溫電解電容，作為逆變器高頻逆變的濾波電容。

2） 選用電容量和介質損耗穩定、受溫度影響小的NPO電容，作為逆變器中諧波成分濾波電容。

3 "實驗分析

為了驗證優化方法的正確性和有效性，搭建了如圖11所示的300 W無線電能傳輸系統，測試儀器及相關設備主要包括TH2827A電橋分析儀、紅外熱成像儀、P6022電流探頭和DS1054數字示波器。WPT系統的主要參數如表1所示。

當無線電能傳輸系統運行一段時間后，利用紅外熱成像儀測量了發射端的溫度圖像，如圖12所示，逆變器的4個開關管和電源輸入端的2顆普通電解電容溫升明顯，達到了90.8 ℃；其次，利用示波器測量了開關管的柵極信號，如圖13所示，出現了理論分析的欠阻尼時的衰減振蕩，即振鈴衰減振蕩。針對以上問題和實驗現象，本文開展了兩方面的優化實驗。

1） 對開關管驅動電路進行了優化，優化后的結果如圖14所示。選取了合適柵極驅動電阻R2、R5、R7與R10，阻值為5 Ω；其次，增加了開關管關斷時的電流釋放回路，分別是D1與R1、D2與R4、D3與R6、D4與R9；在上管的柵極并聯了一個10 kΩ的電阻，分別是R3、R8。在下管的柵極并聯了一個102電容，分別是C5、C10。優化后測量了開關管的柵極信號，其結果如圖15所示，圖中信號未出現衰減振蕩，信號質量明顯改善。

2） 如圖14所示，對電源輸入端的2顆普通電解電容進行了更換，選用了2顆Rubycon YXF系列的63 V 1 000 μF高頻、低阻、長壽命、耐高溫電容進行紋波濾波，分別是C1、C6；其次，增加了6顆NPO電容，對高頻諧波進行濾波，分別是C2、C3、C4、C7、C8、C9。優化后，能量波形平滑，不再出現尖峰。

本文對優化前后的傳輸效率進行分析，得到優化后的傳輸效率提高5.3%，整機效率達到89.3%；其次，分析優化前后的逆變器溫度圖像和濾波電容的溫度圖像，得出優化后的溫度維持在56 ℃，溫度得到了有效控制。

綜上所述，本文的理論建模、分析和實驗結果表明，所得出的優化方法是正確和有效的，逆變器性能得到了改善，溫度得到了有效控制，系統傳輸效率提高了5.3%，整機效率達到了89.3%。

優化后的逆變器如圖16所示。

4 "結 "論

1） 選取合適的調節電路參數，得到一個合適的阻尼系數，避免阻尼系數過小，造成開關管的柵極端出現振鈴現象；其次，避免阻尼系數過大，階躍信號的上升沿過渡時間長，上升緩慢。

2） 選用大容量、高頻、低阻、長壽命和耐高溫電解電容作為逆變器高頻逆變的濾波電容；其次，選用電容量和介質損耗穩定、受溫度影響小的NPO電容，作為逆變器中諧波成分的濾波電容。

經過以上兩項優化措施之后，逆變器性能得到了明顯改善，溫升得到了有效控制，系統傳輸效率提高了5.3%，整機效率達到了89.3%。

注：本文通訊作者為劉溯奇。

參考文獻

[1] KURS A， KARALIS A， MOFFATT R， et al. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances [J]. Science， 2007， 317（5834）： 83?86.

[2] 程時杰，陳小良，王軍華，等.無線輸電關鍵技術及其應用[J].電工技術學報，2015，30（19）：68?84.

[3] 楊慶新，章鵬程，祝麗花，等.無線電能傳輸技術的關鍵基礎與技術瓶頸問題[J].電工技術學報，2015，30（5）：1?8.

[4] HUI S Y R， ZHONG W， LEE C K. A critical review of recent progress in mid?range wireless power transfer [J]. IEEE transactions on power electronics， 2014， 29（9）： 4500?4511.

[5] SAMPLE A P， MEYER D A， SMITH J R. Analysis， experi?mental results， and range adaptation of magnetically coupled resonators for wireless power transfer [J]. IEEE transactions on industrial electronics， 2011， 58（2）： 544?554.

[6] LIU S Q， TAN J P， WEN X. Research on the impedance characteristic of a two?coil wireless power transfer system [J]. IEICE transactions on electronics， 2018（9）： 711?717.

[7] 呂雙慶，陳文潔，胡秀芳.離散時間迭代的LCC?S型無線電能傳輸系統建模及穩定性分析[J].電機與控制學報，2023，27（8）：1?15.

[8] 楊奕，張葛，曹桂梅，等.基于多線圈陣列的單管無線電能傳輸電路優化[J].電工技術學報，2023，38（20）：5398?5410.

[9] 譚平安，許文浩，上官旭，等.無線電能傳輸系統中組合串繞六邊形線圈的互感建模及參數優化[J].電工技術學報，2023，38（9）：2299?2309.

[10] LIU S Q， TAN J P. Using uniform magnetic field to obtain the constant output power and transfer efficiency for MCR?WPT [J]. Circuit world， 2019， 46（1）： 42?47.

[11] 劉溯奇，譚建平，文學.三線圈無線電能傳輸系統耦合機理研究[J].工礦自動化，2017，43（7）：62?69.

[12] 張蓮，楊洪杰，經廷偉，等.井下磁耦合無線電能傳輸系統的全諧振特性分析[J].工礦自動化，2022，48（2）：83?92.

[13] 孔令超，李厚基，潘搏，等.無線電能傳輸中的QDS線圈偏移特性研究[J].電工技術學報，2022，37（13）：3361?3371.

[14] LIU S Q， TAN J P， WEN X. Modeling of coupling mecha?nism of wireless power transfer system and vibration phenomenon of receiver?coil in three?coil system [J]. AIP advances， 2017， 7（11）： 115107.

[15] LIU S Q， TAN J P. Study on the vibration mechanism of the relay coil in a three?coil WPT system [J]. Progress in electromagnetics research M， 2018， 70： 117?126.

[16] 支前進，張新燕，蔡韶波，等.SS式磁耦合諧振無線電能傳輸系統軟開關研究[J].電力電子技術，2023，57（9）：58?61.

[17] 黃欽鴻，李優新，李志忠，等.基于次級改進型有源整流的無線電能傳輸系統[J].電力電子技術，2023，57（7）：88?91.

[18] 楊奕，張學健，羅蕾，等.單管無線電能傳輸逆變系統紋波抑制研究[J].西南大學學報（自然科學版），2023，45（1）：183?193.