基于自激逆變器的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)

（文章來源：電氣新科技）

磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）系統(tǒng)，在沒有電氣直接接觸的情況下，可通過高頻磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)電能的有效傳輸，傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸效率高。憑借其較好的適用范圍和傳輸效果，諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注，并有望應(yīng)用于電動(dòng)汽車（Electric Vehicle, EV）、中小功率電子產(chǎn)品和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。

無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)通常由三部分：高頻交流電源、電磁諧振系統(tǒng)（由發(fā)射器和接收器組成）及高頻整流裝置組成。根據(jù)發(fā)射器和接收器的諧振類型（串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振），理論上可將WPT系統(tǒng)分為四個(gè)類型：串-串（Series-Series, SS）型、串-并（Series-Parallel, SP）型、并-串（Parallel-Series, PS）型及并-并（Parallel-Parallel, PP）型。

如果發(fā)射端采用串聯(lián)諧振的方式，需要電壓型交流電源供電；如果發(fā)射端采用并聯(lián)諧振的方式，則需要電流型交流電源供電。目前的交流電源多采用電壓型橋式逆變電路，因此基于SS型和SP型WPT系統(tǒng)的研究較多。

對(duì)于高頻交流電源的設(shè)計(jì)，目前常用的全橋逆變電路需要4個(gè)MOS管，結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，損耗較高。為了優(yōu)化逆變器的工作效率，通常需要數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor, DSP）等數(shù)字控制器和相應(yīng)的控制算法來實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)控制以及WPT系統(tǒng)的頻率跟蹤功能，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制上的復(fù)雜度都較高，通常應(yīng)用于大功率場(chǎng)合（幾kW到幾十kW）。

半橋逆變拓?fù)湎啾扔谌珮螂娐?，結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜度減半，適合工作于中小功率場(chǎng)合，然而仍然需要數(shù)字控制器和相應(yīng)的頻率跟蹤和軟開關(guān)控制策略，控制上的復(fù)雜度依然很高。

相比而言，單管E類功率放大器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率較高的優(yōu)勢(shì)，但E類功率放大器工作時(shí)，開關(guān)管漏源極兩端電壓最高為直流電源電壓的3.562倍，高的電壓應(yīng)力限制了E類功率放大器的輸出功率，而且E類功率放大器的最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)與負(fù)載有關(guān)，當(dāng)負(fù)載改變時(shí)，參數(shù)也應(yīng)該同步變化，增加了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。

對(duì)于目前研究較多的SS型、SP型WPT系統(tǒng)，發(fā)射器都采用LC串聯(lián)諧振的方式，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)耦合互感M=0的情況時(shí)，接收回路等效到發(fā)射回路的阻抗為0，發(fā)射回路發(fā)生串聯(lián)諧振相當(dāng)于短路狀態(tài)，高頻電壓源的負(fù)載只有電路寄生電阻，流經(jīng)開關(guān)管的電流很大，系統(tǒng)存在極大的安全隱患。

有學(xué)者采用LCL-SS型拓?fù)?，在SS型拓?fù)涞陌l(fā)射端加入LCL補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，實(shí)際上將發(fā)射端變成并聯(lián)諧振的形式，補(bǔ)償電感將高頻電壓源變成高頻電流源，避免了M=0時(shí)發(fā)射回路短路的弊端，而且具有恒壓輸出特性。有學(xué)者在發(fā)射端采用LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，相比于LCL-SS型拓?fù)?，減少了一個(gè)補(bǔ)償電感的接入，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)發(fā)射回路的改進(jìn)以及輸出電壓的恒定。但總的來說，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，尤其是補(bǔ)償電感的加入增加了系統(tǒng)的體積和損耗，提高了系統(tǒng)的復(fù)雜度，不利于系統(tǒng)集成。

有學(xué)者在四線圈結(jié)構(gòu)的WPT系統(tǒng)采用發(fā)射端并聯(lián)諧振的PSSS型拓?fù)?，互感M=0時(shí)，發(fā)射端并聯(lián)諧振，相當(dāng)于開路狀態(tài)，不存在短路隱患，但其設(shè)計(jì)的電流型全橋逆變器需要脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）信號(hào)發(fā)生器，通常為了保證系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)下還需要設(shè)計(jì)相應(yīng)頻率控制器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制都較為復(fù)雜。有學(xué)者引入了閉環(huán)控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射端發(fā)射線圈的電流調(diào)控，從而可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)壓輸出，但是系統(tǒng)需要精確的電流檢測(cè)裝置和復(fù)雜的頻率控制器以及相應(yīng)的控制算法，因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性都較差。

作者主要對(duì)并-串聯(lián)諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)展開研究?；赑S型拓?fù)湓O(shè)計(jì)了一套自激諧振式逆變器，可實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的自驅(qū)動(dòng)，無(wú)需PWM信號(hào)發(fā)生器和驅(qū)動(dòng)電路即可實(shí)現(xiàn)直流到交流的逆變過程；同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通和零電壓關(guān)斷過程，并具有頻率跟蹤功能，極大地降低了逆變電源的復(fù)雜度。

作者設(shè)計(jì)的WPT裝置還可以避免M=0時(shí)SS和SP型WPT系統(tǒng)發(fā)射端回路串聯(lián)諧振短路問題。詳細(xì)分析了PS型系統(tǒng)的工作原理以及系統(tǒng)的輸出功率特性和效率特性，并給出了使PS型WPT系統(tǒng)具備恒壓輸出特性的設(shè)計(jì)條件。

仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了自激逆變器工作過程的有效性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在傳輸距離為7cm的情況下，當(dāng)負(fù)載電阻變化200%時(shí)，WPT系統(tǒng)的輸出電壓變化率僅為2.6%，表明所設(shè)計(jì)的PS型WPT系統(tǒng)的輸出電壓對(duì)負(fù)載變化有較強(qiáng)的魯棒性。同時(shí)表明PS型WPT系統(tǒng)具有較好的恒壓輸出特性且可避免發(fā)射端回路的串聯(lián)諧振短路問題。下一步的研究工作將集中于磁場(chǎng)屏蔽和系統(tǒng)功率損耗最小化。
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