一種通過選通開關改變輸入電壓幅值進行信號正向傳輸

摘要：

為解決在一些非接觸電能傳輸過程中，信號只能單向傳輸或半雙工傳輸，不能實現(xiàn)信號控制和反饋實時交互的問題，針對感應耦合電能傳輸（ICPT）系統(tǒng)中的信號全雙工傳輸問題，提出一種通過選通開關改變輸入電壓幅值進行信號正向傳輸，調節(jié)副邊補償電容進行信號反向傳輸?shù)姆椒?。分析了輸入電壓幅值變化對副?a href="http://ttokpm.com/tags/電流/" target="_blank">電流以及副邊補償電容改變對原邊電流的影響，并采用Simulink、Simplorer和Maxwell聯(lián)合仿真得到輸入電壓與副邊補償電容同時變化時原副邊電流包絡信息，仿真結果驗證了信號全雙工傳輸?shù)目尚行浴?/p>

0 引言

感應耦合電能傳輸(ICPT)作為一種新型的無線電能傳輸技術，克服了傳統(tǒng)的通過導線傳輸電能所帶來的安全隱患和功能上的局限[1]。然而在很多實際應用中，不僅要滿足電能的傳輸要求，同時還要實現(xiàn)信號的實時傳輸。例如，在石油鉆井、內置式醫(yī)療電子裝置等特殊應用環(huán)境中，在完成能量傳遞的同時，不僅需要由原邊不斷向副邊發(fā)送控制指令，還需要將副邊監(jiān)測到的信息實時地反饋到原邊。

在以往的眾多關于ICPT系統(tǒng)信號傳輸研究中，經(jīng)常采用額外增設一對信號耦合線圈，使信號和能量分開傳輸，不僅增加了系統(tǒng)設計的復雜度，還存在能量線圈與信號線圈之間相互干擾的問題?；蛘咧谎芯苛诵盘枏南到y(tǒng)原邊向副邊傳輸或副邊向原邊傳輸?shù)膯蜗騻鬏敺绞絒2-8]?，F(xiàn)有的信號由原邊向副邊傳輸?shù)姆椒ǘ嗖捎迷谙到y(tǒng)主電路增設開關器件，當開關斷開時，只能依靠電路中電感電容儲存能量給后級供電。傳輸速度較慢，且只能工作在小功率的情況下。

本文針對ICPT系統(tǒng)中的信號全雙工傳輸問題，提出一種通過選通開關選擇不同幅值輸入電壓進行信號正向傳輸，調節(jié)副邊補償電容進行信號反向傳輸?shù)姆椒?，不僅大大提高了傳輸?shù)乃俾?，而且實現(xiàn)了信號的全雙工傳輸。

1 系統(tǒng)結構及傳輸原理

1.1 信號調制原理

圖1所示為ICPT系統(tǒng)原理圖。系統(tǒng)可分為初級回路和次級回路。初級回路通過變換器把直流電壓逆變?yōu)楦哳l交流電壓，在原邊產(chǎn)生交變磁場耦合到副邊，副邊感應出電動勢，經(jīng)過補償以及整流濾波后給負載提供電能。

典型的全橋逆變SP（電容在電路中初級串聯(lián)，次級并聯(lián)）型補償電路及其等效電路如圖2、圖3所示。

SP結構次級阻抗ZS可寫為：

在原副邊電路參數(shù)一定的情況下，由式(5)可知，僅改變輸入電壓Vin會改變次級電流IS的大小。由式(1)、式(3)、式(6)可知，改變C2容值，將改變副邊線圈對原邊的反射阻抗Zr，進而改變原邊電流幅值IP的大小。

因此，可以選擇合適的輸入電壓Vin和調節(jié)電容C9，根據(jù)不同數(shù)字信號“0”或“1”來調節(jié)選通開關和副邊補償電容，設定次級向初級傳輸速度是初級向次級傳輸速度的兩倍。由式(4)、式(5)可知，在初次級電路參數(shù)不發(fā)生改變的情況下，改變輸入電壓Vin，初次級電流IP、IS均會改變。當C2容值改變時，原邊電流幅值IP變化比較大，副邊電流幅值IS變化非常小。因此，在原副邊電流由于除自身變化引起的幅值變化外，還有另外一側變化對其產(chǎn)生影響，因此在原副邊都會產(chǎn)生四種幅值不同的電流。通過檢測原副邊電流幅值的包絡特征來進行信號的解調，從而實現(xiàn)信號全雙工傳輸。

1.2 原副邊調制電路

根據(jù)以上推導，分別在ICPT系統(tǒng)的原副邊增加信號調制機構。如圖4所示，原邊調制部分主要由boost升壓電路和選通開關S1、S2組成。傳送數(shù)字信號“0”時，選通開關S2導通，直接獲取電源電壓。傳送數(shù)字信號“1”時，選通開關S1導通，獲取經(jīng)boost升壓之后的電壓。通過選取不同的電源電壓幅值，從而獲得幅值不同的次級電流幅值。如圖5所示，副邊調制部分主要由共E極反串聯(lián)式開關S3和調制電容C9組成。傳送數(shù)字信號“0”時，開關管S3關閉，次級補償電容為C2，系統(tǒng)處于正常的諧振狀態(tài)。傳送數(shù)字信號“1”時，開關管S3導通，次級補償電容變?yōu)镃2+C9，反射到原邊的阻抗將改變，從而改變原邊的電流幅值。對原副邊電流的幅值包絡進行解調，就得到傳輸?shù)臄?shù)字信號。

2 松耦合變壓器

松耦合變壓器是感應耦合式電能傳輸系統(tǒng)的核心組成部分。由于松耦合變壓器初次級線圈之間存在較大氣隙，漏磁明顯，導致能量傳輸能力和效率較低。為了減少漏磁，改善系統(tǒng)傳輸性能，提高傳輸效率，本文采用了一種桶形變壓器。在Maxwell中建立桶形變壓器2D、3D模型如圖6、圖7所示。

磁芯采用PC40，內磁桶為變壓器原邊，采用20匝線圈緊貼內磁桶外壁纏繞；外磁桶為變壓器副邊，采用21匝線圈緊貼外磁桶內壁纏繞。磁芯尺寸如表1所示。

3 Simulink，Simplorer，Maxwell聯(lián)合仿真

采用Simulink產(chǎn)生兩路互補的PWM波控制全橋逆變器的相互導通，仿真中直接選用兩路不同幅值電源電壓，隨機產(chǎn)生數(shù)字信號“0”“1”控制原邊選通開關S1、S2和共E極反串聯(lián)式開關S3，將Maxwell中變壓器模型導入到Simplorer中，對全橋逆變SP型補償電路進行整體仿真分析。仿真電路如圖8所示。仿真電路具體參數(shù)如表2。

根據(jù)S1、S2的選通頻率可得初級向次級每400 μs傳遞一位數(shù)字信號，圖9所示為初級全橋逆變器之后的電壓電流波形。從電壓包絡可以看出，初級所要傳輸?shù)男盘枮椤?011111”。圖10所示為次級電流，根據(jù)其包絡特征，可得次級線圈拾取到從原邊向副邊傳遞的數(shù)字信號為“1011111”。

根據(jù)S3的選通頻率可得初級向次級每200 μs傳遞一位數(shù)字信號，圖11所示為調節(jié)電容C9的電壓波形，從電壓包絡可以看出次級所要傳輸?shù)男盘枮椤?0111111011101”。圖12所示為初級電流，根據(jù)其包絡特征，可得副邊向原邊傳遞的數(shù)字信號為“10111111011101”。

以上仿真結果表明，通過電流幅值可以準確地解調信號，該方法可以實現(xiàn)感應耦合電能傳輸系統(tǒng)中的信號全雙工傳輸。

4 結論

本文通過對感應耦合式電能傳輸系統(tǒng)輸入電壓幅值和副邊補償變化對系統(tǒng)電流幅值產(chǎn)生的影響進行分析。針對 ICPT 系統(tǒng)中的信號全雙工傳輸問題，提出一種通過選通開關選擇不同幅值輸入電壓進行信號正向傳輸，調節(jié)副邊補償電容進行信號反向傳輸?shù)姆椒?。進行了系統(tǒng)仿真，驗證了方法的可行性。該方法為ICPT系統(tǒng)中信號全雙工傳輸提供了一種新的方法，解決了非接觸電能傳輸過程中控制信號和反饋信號實時交互的問題，有很好的實用價值和應用前景。