數(shù)字家電用無線電力傳輸電源的研究

王春芳，陳杰民，李聃，孫會(huì)

(1．青島大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島266071;2．海爾集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心，山東青島266103)

數(shù)字家電用無線電力傳輸電源的研究

王春芳1，陳杰民1，李聃2，孫會(huì)2

(1．青島大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島266071;2．海爾集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心，山東青島266103)

針對無線電力傳輸系統(tǒng)效率低、功率因數(shù)低的問題，設(shè)計(jì)了一款數(shù)字家電用無線電力傳輸電源。該電源的主電路由開關(guān)輸入網(wǎng)絡(luò)、諧振耦合網(wǎng)絡(luò)和高頻整流網(wǎng)絡(luò)三部分組成。其中諧振耦合網(wǎng)絡(luò)的原、副邊線圈采用SP補(bǔ)償法。采用互感模型法對主電路進(jìn)行了分析，給出了主電路的等效電路圖。推導(dǎo)了電壓增益，并給出了電壓增益隨諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)變化的曲線。制作了一個(gè)額定功率為1000W的樣機(jī)，采用頻率查表模糊控制法對輸出電壓進(jìn)行控制。進(jìn)行了效率和功率因數(shù)隨原、副邊線圈位置變化的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案及控制方法的可行性與有效性。

家用電器;電源;無線電力傳輸;零電流軟開關(guān)

1 引言

無線電力傳輸(Inductive Power Transfer，IPT)作為一種時(shí)尚、安全的電能傳輸技術(shù)，近幾年引起了人們的廣泛關(guān)注。該技術(shù)目前僅局限于為手機(jī)充電等小功率應(yīng)用場合，對于功率較大的家電領(lǐng)域，則尚未有成熟應(yīng)用。對于IPT傳輸系統(tǒng)來說，其傳輸線圈原副邊電路相互隔離，電路工作在開環(huán)狀態(tài)，輸出電壓較難控制［1］，一般在接收端用DC/DC電路來穩(wěn)定輸出電壓［2］;為了增加系統(tǒng)輸出的有功功率，一般在原邊電路中增加鎖相環(huán)電路［3，4］，從而使線圈工作在諧振狀態(tài)。但以上方法也存在一些問題，一方面由于在接收端增加了一級(jí)DC/DC電路，從而使IPT系統(tǒng)整體效率顯著降低，一般只有50%～75%左右;另一方面諧振網(wǎng)絡(luò)可能有多個(gè)諧振頻率，導(dǎo)致諧振頻率出現(xiàn)分叉現(xiàn)象［5，6］，從而使輸出功率和系統(tǒng)穩(wěn)定性顯著降低。為了提高松耦合變壓器的傳輸功率和效率，通常需要給原、副邊線圈增加諧振補(bǔ)償電容。對于原邊采用串聯(lián)補(bǔ)償和副邊采用并聯(lián)補(bǔ)償(簡稱SP補(bǔ)償法)的IPT系統(tǒng)，文獻(xiàn)［7］指出諧振頻率的選取對系統(tǒng)傳輸功率的大小影響不大，能夠最大限度地減少電磁干擾和設(shè)計(jì)成本。

針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了一款數(shù)字家電用無線電力傳輸電源。該電源采用SP補(bǔ)償。借助互感模型法［8］，對SP補(bǔ)償?shù)腎PT電路進(jìn)行了建模，分析了不同參數(shù)變化對電壓傳輸特性的影響;針對諧振頻率分叉的問題，在實(shí)際控制中采用頻率查表模糊控制法來控制工作頻率及輸出電壓，從而簡化了控制電路，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 IPT系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)由半橋逆變電路、諧振耦合電路、單片機(jī)控制電路、輔助電源、顯示模塊和無源射頻識(shí)別模塊組成。220V交流電經(jīng)全橋整流和電感(Lin)、電容(由C1和C2串聯(lián)而成，見圖2)濾波后送給半橋逆變電路的輸入端，半橋逆變電路將高頻方波電壓輸入到諧振耦合電路，再由諧振耦合電路將能量傳遞給負(fù)載。

2.2 主電路參數(shù)的設(shè)計(jì)

圖2為所研究的無線電力傳輸系統(tǒng)主電路原理圖。該電路由開關(guān)輸入網(wǎng)絡(luò)、諧振耦合網(wǎng)絡(luò)和高頻整流網(wǎng)絡(luò)三部分組成。諧振耦合網(wǎng)絡(luò)的原邊線圈采用串聯(lián)電容Cp補(bǔ)償，副邊線圈采用并聯(lián)電容Cs補(bǔ)償。其中，Cp采用耐流大的電容，Cs采用耐壓高的電容，且Cp、Cs的頻率穩(wěn)定性都較高，C1、C2采用耐壓較高、容量較小的無極性電容，和Lin組成LC濾波器，以提高功率因數(shù)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig．1System structure

圖2 主電路Fig．2Main circuit

采用互感模型法對圖2所示主電路進(jìn)行分析，可得如圖3所示的主電路等效電路圖。

圖3 主電路的等效電路圖Fig．3Equivalent circuit of main circuit

圖3中Lp、Ls為諧振網(wǎng)絡(luò)中的原、副邊線圈電感，Cp、Cs為原、副邊補(bǔ)償電容，Rp、Rs分別為原、副邊線圈電阻，M為原、副邊線圈的互感，R為負(fù)載電阻，Re為等效負(fù)載，Zs為次級(jí)回路的等效阻抗，Ze為從輸入端看進(jìn)去的等效阻抗。通過對圖3所示主電路的等效電路進(jìn)行建模和分析，并根據(jù)文獻(xiàn)［5，6］可推導(dǎo)出以下電路參數(shù)表達(dá)式:

Ui．FHA為諧振網(wǎng)絡(luò)的輸入信號(hào)，該信號(hào)為一方波信號(hào)，其基波分量有效值為:

二次側(cè)得到的電壓為:

副邊輸出電壓為:

由式(5)、式(6)可得諧振網(wǎng)絡(luò)的電壓增益為:

對式(7)進(jìn)行歸一化處理可得:

式中，ωn=ω/ωo為歸一化工作頻率，其中ωo為初級(jí)側(cè)諧振角頻率，為變壓器有效匝比;p=Cp/Cs為原、副邊補(bǔ)償電容比;k為線圈耦合系數(shù);Q=ωoLp/Re為負(fù)載品質(zhì)因數(shù);λp=Rp/Re，λs=Rs/Re分別為原、副邊線圈電阻系數(shù)。由式(8)得到變換器直流增益MV隨k及p變化的曲線，如圖4所示。

通過分析主電路的電壓增益曲線變化趨勢，可確定諧振網(wǎng)絡(luò)元件的參數(shù)值。

2.3 直流輸出電壓的控制

圖4 電壓增益變化曲線Fig．4Voltage gain curves

直流輸出電壓Uo控制采用頻率查表模糊控制法。當(dāng)電路穩(wěn)定工作時(shí)，開關(guān)管工作在諧振頻率上，此時(shí)可完全實(shí)現(xiàn)零電流軟開關(guān)(ZCS)，開關(guān)損耗小，系統(tǒng)工作效率最高;當(dāng)輸出電壓Uo降低或者增大時(shí)，電路檢測到諧振電流幅值的變化，相應(yīng)增大或者減小開關(guān)管工作頻率，以此來穩(wěn)定輸出電壓Uo。由圖4可知，當(dāng)電路工作頻率在諧振頻率附近時(shí)，電路的電壓增益變化較大。因此，只要開關(guān)頻率偏離值不超過某一值，開關(guān)管基本工作在ZCS狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)開關(guān)頻率在諧振頻率的±5%之內(nèi)時(shí)，電壓增益變化能夠滿足設(shè)計(jì)需要，并且工作效率仍能保持在84%以上。圖5所示為零電流關(guān)斷波形。

圖5 零電流關(guān)斷波形Fig．5ZCS curves

3 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)了一臺(tái)額定功率1000W的數(shù)字家電用無線電力傳輸電源樣機(jī)，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下:輸入電壓為180～264VAC/50Hz，輸出電壓為Uo=220VDC，電感Lin=400μH，C1、C2采用耐壓較高的1μF無極性電容，原邊線圈直徑19mm，電感Lp=500μH，內(nèi)阻Rp=0.24Ω，副邊線圈直徑16mm，電感Ls=60μH，內(nèi)阻Rs=0.1Ω，原、副邊諧振電容均采用高頻MKPH電容，原邊諧振電容Cp=98nF，副邊諧振電容Cs=721nF，原、副邊線圈距離為20mm，原、副邊互感為57μH，半橋開關(guān)管選用耐壓較高的FGA25N120，副邊整流二極管選用導(dǎo)通壓降較小的MUR1560。

為驗(yàn)證所研究的電源性能，分別對該電源進(jìn)行效率及功率因數(shù)實(shí)驗(yàn)。圖6為當(dāng)原、副邊線圈中心對齊，且距離為設(shè)定值20mm時(shí)，輸入電壓和輸入電流的波形，由圖可知輸入電流近似正弦波，且輸入電壓、輸入電流同相位。

圖6 輸入電壓、電流波形Fig．6Input voltage and current waveforms

當(dāng)原、副邊線圈垂直距離固定為20mm、中心偏移時(shí)，測量其效率及功率因數(shù)，繪制成曲線，如圖7所示。由圖可知，當(dāng)線圈中心偏移在30mm內(nèi)時(shí)，電源的效率能保證在85%左右，功率因數(shù)能保證在0.9以上。

圖7 效率、功率因數(shù)隨線圈中心偏移變化Fig．7Efficiency and power factor changing with coil center offset

當(dāng)原、副邊線圈中心對齊，垂直距離變化時(shí)，測量其效率及功率因數(shù)，繪制成曲線，如圖8所示。由圖可知，在設(shè)定距離20mm時(shí)，效率和功率因數(shù)均達(dá)到最高;垂直距離在40mm內(nèi)，效率和功率因數(shù)均能保證較高值。

圖8 效率、功率因數(shù)隨線圈垂直偏移變化Fig．8Efficiency and power factor changing with coil vertical offset

4 結(jié)論

通過對數(shù)字家電用無線電力傳輸電源的研究，得出如下結(jié)論:①對于1000W左右功率等級(jí)的IPT系統(tǒng)采用由半橋逆變、SP補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和全橋整流組成的主電路結(jié)構(gòu)是合理的;②采用互感模型法對主電路進(jìn)行等效分析和參數(shù)設(shè)計(jì)證明是行之有效的;③采用頻率查表模糊控制法，簡化了電路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性;④通過效率和功率因數(shù)實(shí)驗(yàn)，表明了所設(shè)計(jì)的IPT系統(tǒng)具有較高的效率和功率因數(shù)，有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。

［1］武瑛(Wu Ying)．新型無接觸供電系統(tǒng)的研究(Research on a new contactless power transfer system)［D］．北京:中國科學(xué)院研究生院(Beijing:Graduate University of Chinese Academy of Sciences)，2004．

［2］夏晨陽(Xia Chenyang)．感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)能效特性的分析與優(yōu)化研究(Research on analysis and optimization for transmission power and efficiency of inductively coupled power transfer system)［D］．重慶:重慶大學(xué)(Chongqing:Chongqing University)，2010．

［3］張宇帆(Zhang Yufan)．非接觸感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化分析與頻率跟蹤控制(Optimization analysis and tracking frequency control of inductively coupled power transfer system)［D］．重慶:重慶大學(xué)(Chongqing: Chongqing University)，2011．

［4］林寧(Lin Ning)．無接觸電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究(Research on design of contactless energy transmission system)［D］．杭州:浙江大學(xué)(Hangzhou:Zhejiang University)，2011．

［5］Boys J T，Covic G A，Green A W．Stability and control of inductively coupled power transfer systems［J］．IEE Proceedings-Electric Power Applications，2000，147(1): 37-43．

［6］唐春森(Tang Chunsen)．非接觸電能傳輸系統(tǒng)軟開關(guān)工作點(diǎn)研究及應(yīng)用(Study on soft switching operating points of contactless power transfer systems and their application)［D］．重慶:重慶大學(xué)(Chongqing: Chongqing University)，2009．

［7］孫躍，夏晨陽，趙志斌，等(Sun Yue，Xia Chenyang，Zhao Zhibin，et al．)．電壓型ICPT系統(tǒng)功率傳輸特性的分析與優(yōu)化(Analysis and optimization on power transmission characteristics for voltage-fed ICPT system)［J］．電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering＆Energy)，2011，30(2):9-12．

［8］馬皓，孫軒(Ma Hao，Sun Xuan)．原副邊串聯(lián)補(bǔ)償?shù)碾妷盒婉詈想娔軅鬏斚到y(tǒng)設(shè)計(jì)(Design of voltage source inductively coupled power transfer system with series compensation on both sides of transformer)［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)(Proceedings of the CSEE)，2010，30 (15):48-52．

Research on IPT power supply in household application

WANG Chun-fang1，CHEN Jie-min1，LI Dan2，SUN Hui2
(1．School of Automation Engineering，Qingdao University，Qingdao 266071，China; 2．R＆D Center of Haier Group，Qingdao 266103，China)

In view of the disadvantages of the inductive power transfer，such as low efficiency and low power factor，a novel IPT power supply in household application was designed in this paper．The main circuit of the power supply contains three parts．They are the input switching network，the resonant coupling network and the high-frequencyrectifier network．The SP compensation method is adopted in the primary and secondary coil of the resonant coupling network．The main circuit is analyzed and the equivalent circuit of the main circuit is obtained by using the mutual inductance model method．The voltage gain is deduced to get the curves of the voltage gain changing with resonant network parameters．A prototype of a 1000W power supply is implemented．To control the output voltage，frequency look-up table fuzzy control method is adopted．The experiment of efficiency and power factor changing with the primary and secondary coil is done．The experiment results verify the correctness and effectiveness of the circuit design and control method．

household application;power supply;IPT;ZCS

TM42;TM46

A

1003-3076(2014)11-0065-05

2013-05-28

王春芳(1964-)，男，山西籍，副教授，博士，從事電能變換及其先進(jìn)控制技術(shù)方面的研究;陳杰民(1989-)，男，山東籍，碩士研究生，從事電力電子技術(shù)應(yīng)用的研究。