用單個開關管實現(xiàn)1 000 W感應耦合式電能傳輸

齊 飛，王春芳，馬 超，李 聃，孫 會

（1青島大學自動化工程學院，山東 青島266071；2．海爾集團技術研發(fā)中心，山東 青島266103）

0 引 言

近幾年，電磁感應耦合電能傳輸技術（Inductively Coupled Power Transmission，ICPT）已逐漸成為研究的熱點［1］。隨著研究人員對ICPT技術研究不斷深入，在原副邊補償拓撲方面已取得了許多進展［2，3］。目前原邊諧振電路多采用全橋或半橋逆變拓撲［4－6］，而這兩種逆變拓撲均存在成本較高、體積較大、控制復雜等缺點。

本文提出了一種僅用一個開關管逆變就能實現(xiàn)ICPT的系統(tǒng)。該ICPT系統(tǒng)可在原邊發(fā)射線圈和副邊接收線圈相距35 mm的范圍內(nèi)，使傳輸功率達到1 kW。通過脈頻調(diào)制（PFM）和脈寬調(diào)制（PWM）相結合的控制方式，在負載或輸入電壓發(fā)生變化時，該ICPT系統(tǒng)可實現(xiàn)恒壓輸出。

1 系統(tǒng)結構

圖1所示為單管ICPT系統(tǒng)框圖。該系統(tǒng)初、次級電路均采用并聯(lián)補償方式，這種補償方式可以在提高品質(zhì)因數(shù)的同時實現(xiàn)大功率傳輸。過零檢測電路用來檢測開關管是否實現(xiàn)零電壓開通（ZVS）。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 等效電路模型

本文采用基于互感的數(shù)學模型將原副邊電路進行等效變換，圖2所示即為該設計的等效模型。該模型很好地反映了電能傳輸關系，為確定電路參數(shù)進而實現(xiàn)ZVS提供了依據(jù)。

圖2 系統(tǒng)等效模型

該變換器通過控制開關管Q的開通和關斷實現(xiàn)電路諧振，從而將能量從原邊傳輸?shù)礁边?，開關過程如圖3所示。一個周期內(nèi)電壓諧振變換器的工作過程分為四個階段來討論。

（1）［t0～t1］：電感充電階段。定義開關管剛剛有電流的時刻為t0。按照主開關零電壓開通的特點，t0時刻，主開關上的電壓UQ＝0。如圖3（a）所示，主開關開通后，電源電壓Ud加在與Cp的并聯(lián)支路兩端，此時Uc＝Ud，流過主開關管Q的電流iq與流過的電流il相等。可得下列方程：

分析可知在一個周期內(nèi)，il（t）等于零時，對應uc（t）的兩個極值點，此時若極大值點等于輸入電壓ud，則可以實現(xiàn)零電壓開通，由此可求得滿足零電壓開通的臨界條件。

（3）［t2～t3］：諧振階段二。如圖3（c）所示，t2時刻，電感電流il下降為零并且開始反向增加。由于該階段較上一階段電路結構沒有發(fā)生變化，所以可得方程如式（4）。

（4）［t3－t4］：電感放電階段。t3時刻開關管閉合，由于二極管導通，開關管電壓被鉗位于零，沒有電流通過，如圖3（d）所示。該階段與［t0～t1］階段有相同電路結構，可得方程如式（1）。

圖3 工作過程

3 控制方法

本設計要求在滿足可變負載的前提下實現(xiàn)恒壓輸出，即無論負載是哪一個功率等級，輸出端的電壓要求不變。由于該電路中開關管在開通和關斷階段都有能量傳到次級，所以PWM調(diào)節(jié)對于恒壓控制作用不大，但是在檢測開關管是否實現(xiàn)零電壓開通時需要用到PWM調(diào)節(jié)。

本文采用PFM和PWM相結合的方式對系統(tǒng)進行控制。圖4所示為電壓增益隨頻率的變化曲線，由該圖可知存在一個最佳頻率使得系統(tǒng)實現(xiàn)最大傳輸增益，并且當進行負載切換時，可以通過調(diào)節(jié)開關頻率實現(xiàn)恒壓控制。

圖4 電壓增益隨頻率的變化曲線

該設計采樣控制簡易流程圖如圖5所示，通過采樣環(huán)節(jié)采集到輸出端的有效值，將有效值和給定值進行比較，進而控制開關頻率的增大或減小。這種控制方法可以在變負載的情況下快速實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

圖5 簡易控制流程圖

4 實驗結果

在仿真結果滿足設計要求的前提下，采用設計出的電路進行試驗驗證，圖6所示為開關管驅(qū)動波形Ug和承受的耐壓波形UQ，由于對參數(shù)設定的合理性，可以使電路實現(xiàn)開關管的零電壓開通和零電壓關斷，這就極大提高了電能的傳輸效率。

圖6 開關管驅(qū)動波形和耐壓波形

圖7所示為負載由1 000 W切換到500 W，再由500 W切換到1 000 W時的輸出電壓Uo波形，PFM 和PWM的調(diào)制作用，使得電壓在很短的時間內(nèi)恢復到恒定值，基本滿足設計要求。

圖7 輸出電壓波形

5 結 論

和傳統(tǒng)的全橋或半橋逆變電路相比，該系統(tǒng)的單個開關管所承受的耐壓要稍高一些，通過等效分析可知，合理的參數(shù)選擇不僅可以有效地控制開關管耐壓，而且能夠使之實現(xiàn)ZVS。PFM＋PWM的控制方法，使得系統(tǒng)在切換負載或者輸入電壓變化時實現(xiàn)恒壓輸出，滿足了不同功率等級的應用要求，實現(xiàn)了對電能的高效利用。

［1］ 曾 翔．無線電力傳輸技術研究［J］．硅谷，2010（10）：82－82．

［2］ Zhou W，Ma H．Design considerations of compensation topologies in ICPT system ［C］．Applied Power Electronics Conference， APEC 2007－Twenty Second Annual IEEE，2007．

［3］ Juan L V，Jesus S，Jose F S O，etal．High－Misalignment Tolerant Compensation Topology For ICPT Systems［J］．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2012，59（1）：945－951．

［4］ 馬 皓，周雯琪．電流型松散耦合電能傳輸系統(tǒng)的建模分析［J］．電工技術學報，2005，20（10）：66－71．

［5］ 杜貴平，盛松濤，張 波，等．感應耦合式無接觸電能傳輸系統(tǒng)建模及仿真［C］．中國電工技術學會電力電子學會第十一屆學術年會，2008．

［6］ 李 宏，賀昱曜，王崇武．一種全橋負載串聯(lián)諧振逆變器諧振頻率跟蹤和輸出功率控制方法［J］．電工技術學報，2010，25（7）：93－99．